Que un sólido puede emitir luz, por ejemplo como un diodo emisor de luz (LED), depende de los niveles de energía de los electrones en su red cristalina. Un equipo internacional de investigadores dirigidos por físicos de la Universidad de Oldenburg, el Dr. Hangyong Shan y el Prof. Dr. Christian Schneider, han logrado manipular los niveles de energía en una muestra ultrafina de un semiconductor de diselenuro de tungsteno de tal manera que este material, que normalmente tiene un bajo rendimiento de luminiscencia, comenzó a brillar.
Los hallazgos de la investigación, publicados recientemente en larevista científica Nature Communications, constituyen un primer paso hacia el control de las propiedades de la materia a través de los campos de luz. “La idea se lleva discutiendo desde hace años, pero aún no se había llevado a la práctica de forma convincente”, afirma Schneider.
El efecto de la luz podría utilizarse para optimizar las propiedades ópticas de los semiconductores y contribuir así al desarrollo de innovadores LED, células solares, componentes ópticos y otras aplicaciones. En particular, las propiedades ópticas de los semiconductores orgánicos, plásticos con propiedades semiconductoras que se utilizan en pantallas flexibles y células solares o como sensores en textiles, podrían mejorarse de esta manera.
El diseleniuro de tungsteno pertenece a una clase inusual de semiconductores formados por un metal de transición y uno de los tres elementos azufre, selenio o telurio. Para sus experimentos, los investigadores utilizaron una muestra que consistía en una única capa cristalina de átomos de tungsteno y selenio con una estructura tipo sándwich.
En física, este tipo de materiales, que sólo tienen unos pocos átomos de grosor, también se conocen como materiales bidimensionales (2D). Suelen tener propiedades inusuales porque los portadores de carga que contienen se comportan de manera completamente diferente a los de los sólidos más gruesos y a veces se les denomina «materiales cuánticos». Ya se han investigado varios métodos para mejorar la eficiencia de la luminiscencia de los materiales 2D ópticamente oscuros. Sin embargo, la relevancia de estos enfoques que se basan en altos campos magnéticos o puntas de nanoantena es ciertamente limitada para su uso generalizado en aplicaciones.
El equipo dirigido por Shan y Schneider colocó la muestra de diselenuro de tungsteno entre dos espejos especialmente preparados y utilizó un láser para excitar el material. Con este método consiguieron crear un acoplamiento entre las partículas de luz (fotones) y los electrones excitados.
“En nuestro estudio demostramos que, a través de este acoplamiento, la estructura de las transiciones electrónicas puede reordenarse de tal manera que un material oscuro se comporta efectivamente como uno brillante. El efecto en nuestro experimento es tan fuerte que el estado inferior del diselenuro de tungsteno se vuelve ópticamente activo”, explica Schneider.
El equipo también pudo demostrar que los resultados experimentales coincidían en gran medida con las predicciones de un modelo teórico. “En resumen, demostramos la posibilidad de iluminar eficazmente una monocapa semiconductora intrínsecamente oscura colocándola dentro de una microcavidad óptica sintonizada resonantemente en el régimen de acoplamiento fuerte entre la luz y la materia”, concluyen los investigadores en el Paper.
El presente estudio es el resultado de la colaboración entre los investigadores de la Universidad Carl von Ossietzky de Oldenburg (Alemania) y sus colegas de la Universidad de Reykjavik (Islandia), la Universidad de Würzburg (Alemania), la Universidad Friedrich Schiller (Alemania), la Universidad Estatal de Arizona (EE.UU.) y el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Tsukuba (Japón). Partes de la teoría fueron desarrolladas por colegas de la Universidad ITMO de San Petersburgo (Rusia) antes de que las universidades pusieran fin a su colaboración.
Imagen: University of Oldenburg
