Una nueva forma de mejorar las interacciones entre la luz y la materia, desarrollada por investigadores del MIT y el Technion de Israel, podría conducir a nuevos tipos de LEDs y Lasers más eficientes y con la capacidad de controlar el color de la fuente de luz como nunca antes.

Los nuevos hallazgos, basados en un estudio teórico, han sido publicados en la revista científica “Nature Photonics”.

Si bien el silicio es una sustancia de gran importancia como base para la mayoría de los productos electrónicos actuales, no es adecuado para aplicaciones que involucren a la luz, como la tecnología LED, a pesar de que actualmente es el principal material utilizado en estas aplicaciones como las células solares, señalan los autores de la investigación. Mejorar las interacciones de la luz con un material tan importante como el silicio podría ser un hito importante hacia la integración de la fotónica con chips semiconductores electrónicos.

La mayoría de las personas que investigan este problema se han centrado en el silicio en sí, pero el enfoque de la actual investigación es muy diferente, el objetivo es tratar de cambiar la luz en lugar de cambiar el silicio. Tal como señala Ido Kaminer, profesor de física en Technion y uno de los autores del artículo “La gente diseña la materia para su interacción con la luz, pero nunca se piensa el diseño desde el punto de vista de la luz”.

Una forma de hacerlo es “ralentizando” o recortando la luz lo suficiente como para reducir drásticamente el impulso de sus fotones individuales, para acercarlos al comportamiento de los electrones. En un estudio teórico, los investigadores demostraron que la luz podría “reducirse” en un factor de mil al pasarla a través de un tipo de material de película delgada de capas múltiples recubierto con una capa de grafeno. El material en capas, hecho de arseniuro de galio y de arseniuro de indio y galio, altera el comportamiento de los fotones que pasan a través de él de una manera altamente controlable. Esto permite a los investigadores controlar la frecuencia de las emisiones del material hasta en un 20 o 30%.

La interacción de un fotón con un par de partículas con carga opuesta, como un electrón y su correspondiente «hueco», produce una cuasipartícula llamada plasmón, o un plasmón polaritón, que es un tipo de oscilación que tiene lugar en un material exótico como los dispositivos en capas bidimensionales utilizados en esta investigación. Dichos materiales «soportan oscilaciones elásticas en su superficie, muy estrechamente confinadas» dentro del material, dice Nicolas Rivera, estudiante de graduado del MIT, y también autor de la investigación. Este proceso efectivamente reduce las longitudes de onda de la luz en órdenes de magnitud, dice, y lo reduce «casi a la escala atómica».

Debido a esa contracción, la luz puede ser absorbida por el semiconductor o emitida por él, dice. En el material a base de grafeno, estas propiedades pueden controlarse directamente simplemente variando el voltaje aplicado a la capa de grafeno. De esa manera, se pueden controlar totalmente las propiedades de la luz, no solo medirla.

Aunque el trabajo se encuentra dentro de una etapa temprana y solamente teórica, los investigadores dicen que este enfoque podría llevar a nuevos tipos de células solares capaces de absorber un rango más amplio de longitudes de onda de la luz, haciendo los dispositivos mucho más eficientes para convertir la luz solar. También podría llevar a dispositivos de iluminación, como los LED y láseres, que podrían ser sintonizables electrónicamente para producir una amplia gama de colores, con una capacidad de ajuste que está más allá de las tecnologías actuales.

“El trabajo todavía es muy general” dicen los investigadores, por lo que los resultados podrían aplicarse a muchos más casos que los específicos utilizados en esta investigación. Si bien este trabajo no fue hecho con silicio, debería ser posible aplicar los mismos principios a los dispositivos basados en silicio, dice el equipo. Debido a que los hallazgos son tan nuevos deberían permitir una gran cantidad de funcionales que aún no se conocen.

Frank Koppens, profesor de física en el Instituto de Ciencias Fotónicas de Barcelona, que no participó en esta investigación, dice que «la calidad de este trabajo es muy alta, y un resultado bastante ‘inmediato’. «Añade que este trabajo es» altamente significativo, ya que es una ruptura clara con la visión convencional sobre las interacciones entre el emisor y la luz «. Dado que el trabajo hasta ahora es teórico, dice,» la pregunta principal será si este efecto es visible «. en experimentos. Sin embargo, estoy convencido de que se mostrará pronto «.

“Uno puede imaginar muchas aplicaciones, como emisores de luz más eficientes, todo integrado en un chip y posibilitando una nueva forma de controlar el color de una fuente de luz” concluye Koppens.