Al igual que lo haría un resorte que conecta dos columpios, la luz puede actuar como un pegamento de fotones que une las propiedades mecánicas cuánticas de dos materiales muy diferentes. El efecto podría aprovechar las características más útiles de cada material para las celdas solares híbridas e iluminación de alta eficiencia, entre otras aplicaciones.

Combinación de semiconductores orgánicos e inorgánicos

Investigadores de la Universidad de Michigan   y Queens College, City University  de Nueva York han utilizado la luz para crear vínculos entre los semiconductores orgánicos e inorgánicos en una cavidad óptica en forma de un filamento forrado de espejo a nanoescala del tamaño de  1 /1.000 del grosor de un cabello.

Los semiconductores son materiales cuya conductividad eléctrica se puede ajustar mediante la adición de impurezas, conocidos como átomos dopantes. Se utilizan en todos los dispositivos, incluyendo teléfonos móviles y ordenadores portátiles, y también en las celdas solares y diodos emisores de luz.

Los semiconductores orgánicos están hechos de compuestos ricos en carbono, que no necesariamente provienen de fuentes biológicas, pero se asemejan a ellas. Estos son más nuevos en el mercado que sus homólogos inorgánicos como el silicio. Sin embargo,  están presentando un amplio potencial para su aplicación en pantallas de teléfonos inteligentes y la iluminación de estancias. Los orgánicos son prometedores por ser flexibles y de bajo costo, tal vez incluso para su despliegue en rollos de plástico de gran tamaño.

«Lo que hemos hecho es tomar los estados excitados de dos materiales principalmente diferentes y los hemos combinado en un nuevo estado de la mecánica cuántica que comparte sus mejores propiedades», dijo Stephen Forrest, profesor de física y ciencia de los materiales, así como Profesor de Ingeniería Eléctrica colegiado del William Gould Dow.

Próxima generación de tecnologías fotónicas

Este nuevo estado demuestra una capacidad más potente de absorción de luz y un posible aumento propiedades ópticas “no lineales »  útiles en conmutación óptica, dijo Vinod Menon, profesor asociado de física en la Universidad de Queens.

«El desarrollo de materiales ópticos no lineales diseñados con propiedades que superan los materiales presentes en la naturaleza es importante para desarrollar la próxima generación de tecnologías fotónicas que se basan en las propiedades cuánticas de la luz «, dijo Menon . «Por ejemplo, se podría desarrollar un conmutador óptico que utiliza un fotón para encender o apagar la trayectoria de un segundo fotón. Esto es básicamente un interruptor de luz que regula la luz, un fotón a la vez – un elemento importante para la comunicación cuántica y la computación».

Proceso del experimiento

Para demostrar el efecto, los investigadores comenzaron con un semiconductor inorgánico – óxido de cinc- y lo convirtieron en nanocables. A continuación  lo rodearon con un material orgánico dianhídrido tetracarboxílico naftaleno, o NTCDA.

«Elegimos estos dos materiales debido a que sus estados excitados estarían en casi las mismas condiciones de energía. Es decir, que están en resonancia el uno con el otro. Entonces los embebimos a modo de sándwich entre dos espejos para formar una cavidad óptica que atrapa fotones, también en la misma energía que la de los estados excitados «, dijo Forrest.

«El resultado fue un tercer estado cuántico único que es una combinación del fotón, el estado excitado del semiconductor inorgánico y el estado excitado del semiconductor orgánico.»

La construcción se vinculó a dos osciladores conectados por un muelle. Los osciladores en este caso son los excitones, o pares electrón-hueco electrónicamente atractivos. Un electrón es una partícula subatómica con carga negativa y un » hueco» en este contexto es la ausencia de un electrón. En un material semiconductor, un hueco lleva una carga positiva.

“En la cavidad óptica, el fotón esencialmente «pega» juntos todos estos estados de la mecánica cuántica, formando un estado nuevo único y potencialmente útil llamado un polaritón que puede transferir de manera eficiente la energía a partir de un material al otro”, dijo Forrest .

Los usos en la conversión de energía solar, emisión de luz y conmutación óptica son sólo algunos ejemplos de las aplicaciones que se pueden beneficiar de este descubrimiento.

Explorar más: Ver un fotón sin absorberlo

Fuente: http://phys.org

Más información: Michael Slootsky, Xiaoze Liu, Vinod M. Menon, and Stephen R. Forrest. «Room Temperature Frenkel-Wannier-Mott Hybridization of Degenerate Excitons in a Strongly Coupled Microcavity.» Phys. Rev. Lett. 112, 076401 – Publicado 18 de febrero 2014

Diario de referencia: Physical Review Letters

Ofrecido por la Universidad de Michigan