Convertir luz de baja energía en radiación más energética ha sido durante años una promesa atractiva para la fotónica aplicada, pero también una tecnología atrapada en el laboratorio. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad Estatal de Carolina del Norte ha demostrado que esa barrera puede empezar a romperse. Su trabajo, publicado en Nature Photonics, presenta una técnica que permite multiplicar la eficiencia de la conversión ascendente de luz en sistemas sólidos gracias al uso de plasmones de superficie, reduciendo drásticamente la energía necesaria para que el proceso funcione.

Este avance puede tener una traducción inmediata para sectores como la iluminación y las pantallas OLED, donde la generación eficiente de luz azul sigue siendo uno de los grandes desafíos tecnológicos. La combinación de fotónica molecular y plasmónica metálica apunta a una nueva generación de dispositivos capaces de hacer más con menos energía.

El problema: convertir luz débil en luz útil

La conversión ascendente de luz —upconversion— es, en esencia, una operación contraria a lo habitual en óptica: en lugar de perder energía en forma de calor o radiación de menor frecuencia, el sistema combina fotones de baja energía para generar luz de mayor energía. Esto permite, por ejemplo, transformar luz verde en azul o incluso ultravioleta, algo con enorme interés en iluminación, sensórica y biofotónica.

Una de las técnicas más estudiadas es la upconversion por fusión de tripletes, que utiliza pares de moléculas orgánicas para absorber luz de baja energía, almacenarla temporalmente en estados excitados y liberarla después como un fotón más energético cuando dos excitaciones colisionan. El mecanismo está bien entendido y funciona con bastante eficiencia en disoluciones líquidas, donde las moléculas se mueven libremente y las colisiones son frecuentes.

El problema aparece cuando se quiere trasladar ese proceso a sistemas sólidos, que son los que realmente importan en aplicaciones tecnológicas. En un sólido, las excitaciones se desplazan con dificultad y la probabilidad de interacción se reduce de forma drástica. Para compensarlo, los sistemas desarrollados hasta ahora han recurrido a una solución poco elegante: aumentar brutalmente la intensidad de la luz incidente. De este modo se generan suficientes estados excitados para que, por pura estadística, algunos interactúen.

El resultado es una tecnología que funciona, sí, pero solo bajo condiciones extremas: fuentes láser potentes, altos consumos energéticos y configuraciones poco compatibles con dispositivos reales como luminarias o pantallas.

Es aquí donde entra en juego la idea central del trabajo de Princeton: en lugar de inyectar más energía al sistema, concentrar mejor la que ya tenemos.

Plasmones: cuando el metal amplifica la luz

La solución propuesta por el equipo liderado por Barry Rand se apoya en un fenómeno bien conocido en fotónica avanzada: la plasmónica. Algunos metales, como la plata, poseen electrones libres que no están ligados a átomos concretos. Cuando la luz incide sobre ellos, estos electrones pueden oscilar colectivamente, generando lo que se conoce como plasmones de superficie.

Estas oscilaciones tienen una propiedad clave: son capaces de confinar y amplificar el campo electromagnético en regiones extremadamente pequeñas, muy cerca de la superficie metálica. Allí donde normalmente habría una intensidad luminosa moderada, los plasmones crean auténticos “puntos calientes” ópticos.

Los investigadores aprovecharon este efecto colocando los materiales responsables de la conversión ascendente sobre una película delgada de plata. Al iluminar el sistema con luz de baja energía, se excitan plasmones que recorren la superficie metálica y multiplican la intensidad del campo en la vecindad de las moléculas activas.

El impacto es inmediato y cuantificable: la absorción de luz por parte de las moléculas de upconversion aumenta aproximadamente diez veces respecto a configuraciones sin soporte plasmónico. Esa mayor absorción se traduce en una mayor población de estados excitados y, por tanto, en una probabilidad mucho más alta de que se produzca la fusión de tripletes.

En términos prácticos, esto significa que la conversión ascendente deja de depender de fuentes extremadamente potentes. Según los resultados experimentales, el sistema reduce la potencia necesaria para activar el proceso en un factor de 19 veces frente a montajes tradicionales. Para una tecnología históricamente lastrada por su ineficiencia energética, este dato no es una mejora incremental: es un punto de inflexión.

Desde la óptica de la ingeniería, la combinación de fotónica molecular y plasmónica ofrece una nueva forma de diseñar dispositivos ópticos: no solo importa el material que emite o convierte la luz, sino también el entorno electromagnético en el que se encuentra.

Del laboratorio a la práctica: el caso del OLED sin azul “caro”

Para demostrar que su propuesta no se quedaba en una mejora teórica, el equipo decidió llevarla a un terreno especialmente sensible para la industria: el de los OLED.

En cualquier pantalla orgánica actual, el subpíxel azul es el talón de Aquiles. Generar luz azul requiere materiales capaces de trabajar a energías más altas, lo que se traduce en mayor estrés eléctrico, degradación acelerada y una vida útil más corta. Por eso, gran parte de la investigación industrial en OLED se centra desde hace años en encontrar emisores azules más estables y eficientes, con resultados todavía limitados.

La estrategia de los investigadores es elegante en su simplicidad: si producir azul directamente es complicado, ¿por qué no generarlo a partir de luz verde, que es mucho más fácil de obtener con buena eficiencia? Utilizando su sistema de conversión ascendente asistida por plasmónica, construyeron un dispositivo en el que la película metálica genera luz azul a partir de excitaciones de menor energía. Esa luz azul se combina después con la roja y la verde de un OLED convencional para obtener luz blanca.

El experimento demuestra que es posible disponer de un componente azul funcional sin recurrir a emisores orgánicos sometidos a condiciones extremas. El planteamiento apunta a una nueva arquitectura de pantallas, donde la gestión espectral se reparte entre la fuente de luz y capas funcionales que transforman su emisión.

Las implicaciones van más allá del mundo del display. En iluminación profesional, esta tecnología podría permitir luminarias con una gestión espectral más flexible, capaces de ajustar componentes del espectro sin depender exclusivamente del tipo de LED instalado. En sensórica óptica, la conversión ascendente facilita el uso de detectores optimizados para longitudes de onda cortas aunque la señal original esté en el rango infrarrojo o visible bajo. En biomedicina, abre la puerta a sistemas de imagen que empleen luz menos dañina para los tejidos y la transformen localmente donde se necesita.

Por supuesto, quedan retos importantes antes de pensar en una implantación masiva. La estabilidad de la plata como material plasmónico, la integración de estas películas en procesos industriales y la optimización de las estructuras ópticas son cuestiones que deberán resolverse. Los propios autores apuntan a futuras mejoras en las arquitecturas de OLED blancos mediante películas más eficientes y diseños que maximicen el acoplamiento entre plasmones y moléculas activas.

Créditos de imagen de portada: Bumper DeJesus/Universidad de Princeton