Investigadores de la Universidad de Princeton han descubierto nuevas reglas que rigen cómo los objetos absorben y emiten luz, llevando la comprensión sobre la luz a un nuevo nivel que permitirá el desarrollo de  dispositivos ópticos y solares de la próxima generación.  

El descubrimiento resuelve un antiguo problema de escala, donde el comportamiento de la luz cuando interactúa con objetos pequeños viola las bien establecidas restricciones físicas observado a escalas más grandes.

“Los tipos de efectos que se obtienen para objetos muy pequeños son diferentes de los obtenidos para objetos grandes. La diferencia se puede observar al pasar del tamaño de una molécula un a un grano de arena. No se puede describir como se comporta la luz en ambos casos a la vez”, explica Sean Molesky, investigador postdoctoral en ingeniería eléctrica y primer autor del estudio. 

El problema radica en la famosa naturaleza cambiante de la luz. Para objetos ordinarios, el movimiento de la luz puede describirse mediante líneas rectas o rayos. Pero para objetos microscópicos, las propiedades de las ondas de luz  son las predominantes y, por tanto, las bien establecidas reglas de la óptica de rayos desaparecen. Los efectos son significativos. En materiales modernos, las observaciones a escala de micras muestran cómo la luz infrarroja irradia millones de veces más energía por unidad de área de lo que predice la óptica de rayos. 

La nuevas “reglas”, publicadas en Physical Review Letters el 20 de diciembre, le dicen a los científicos cuánta luz infrarroja se puede esperar que un objeto de cualquier escala absorbe o emite, resolviendo una discrepancia de décadas entre lo grande y lo pequeño. El trabajo extiende el concepto del siglo XIX, conocido como cuerpo negro, aún contento moderno y útil. Los cuerpos negros son objetos idealizados que absorben y emiten luz con la máxima eficiencia. 

“Se han realizado muchas investigaciones para tratar de comprender en la práctica, para un material dado, cómo uno puede acercarse a los límites del cuerpo negro. ¿Cómo podemos hacer un absorbente o emisor perfecto?”, explica Alejandro Rodríguez, profesor asociado de ingeniería eléctrica e investigador principal del estudio. “Se trata de un problema antiguo que muchos físicos, incluidos Planck, Einstein y Boltzmann, abordaron desde el principio y sentaron las bases para el desarrollo de la mecánica cuántica”.

Una gran cantidad de estudios anteriores han demostrado que estructurar objetos con características a nanoescala pueden mejorar la absorción y emisión de luz, atrapando efectivamente los fotones en una pequeña “sala de espejos”. Pero nadie había definido los límites fundamentales de lo que es posible, dejando abiertas preguntas importantes sobre cómo evaluar un diseño. 

El nuevo nivel de control que la reciente investigación supone, permitirá a los ingenieros optimizar los diseños matemáticamente para una amplia gama de futuros aplicaciones. El trabajo es especialmente importante en tecnologías para el desarrollo de paneles solares, circuitos ópticos y computadoras cuánticas. 

Actualmente, los hallazgos del equipo son relativos a fuentes térmicas de luz, como el Sol o una bombilla incandescente. Pero los investigadores esperan generalizar aún más su trabajo para cubrir otras fuentes de luz, como el LED.