Científicos han creado el primer mapa en 2D del campo de Overhauser en LEDs orgánicos, arrojando luz sobre los retos que nos enfrentamos en el diseño con tecnologías cuánticas. 

La televisión, es a veces denominada de forma coloquial como ‘la caja tonta’. Pero los LEDs orgánicos que se encuentran en las pantallas modernas están lejos de ser estúpidos. De hecho, no están ayudando a dibujar un mapa que podría desbloquear el futuro cuántico. 

El concepto emergente de la detección cuántica tiene el potencial de superar la tecnología existente en áreas que van desde la electrónica y la detección de campos magnéticos hasta la microscopía, los sistemas de posicionamiento global o la sismología.

Espines y el campo de Overhauser

Aprovechando la mecánica cuántica, podrían diseñarse nuevos dispositivos con una sensibilidad y funcionalidad sin precedentes. Pero para ello, es necesario comprender mejor el papel que desempeña el espín, una propiedad cuántica fundamental de las partículas subatómicas como los electrones.

El espín de un electrón puede interactuar con otros espines cercanos mediante un proceso denominado como interacción hiperfina. 

En los materiales electrónicos orgánicos, como los utilizados en las pantallas OLED, un solo electrón interactúa con los campos magnéticos producidos por los numerosos espines nucleares que forman parte de la molécula sobre la que se asienta. El efecto acumulativo es el campo  de Overhauser. 

Hasta ahora, se ha utilizado un único valor para describir la intensidad del campo Overhauser en un dispositivo. Este enfoque no tiene en cuenta las variaciones locales del espín y no refleja su verdadera complejidad, lo que genera incertidumbre sobre cómo reproducir y miniaturizar los dispositivos que dependen del comportamiento del espín.

Para resolver esta incertidumbre, los investigadores del Centro de Excelencia en Ciencia de Excitones – ARC han creado el primer mapa 2D que muestra el campo de Overhauser en los OLED.

Campo de Overhauser en OLEDs

El equipo, con sede en la Universidad de Nueva Gales del Sur (UNSW) de Sídney, ha logrado este objetivo mediante la obtención de imágenes de los cambios microscópicos en el brillo magnético de un OLED mediante el uso de grandes campos magnéticos, un efecto conocido como magnetoelectroluminiscencia.

Consiguieron resolver estas variaciones hasta la escala micrométrica (una milésima de milímetro o 0,001 mm) y pudieron trazar un mapa de la distribución espacial de la intensidad de campo Overhauser.

Sus resultados mostraron que esta propiedad de espín crítica variaba al menos un 30% en un OLED de polímero estable y ampliamente utilizado (SY-PPV), y casi un 60% en un dispositivo basado en fluorescencia de moléculas pequeñas (Alq3).

“Estos resultados ponen de manifiesto los considerables retos que habrá que superar en los futuros intentos de miniaturizar de forma fiable las tecnologías de detección de base orgánica para aplicaciones prácticas”, afirma el profesor Dane McCamey, que dirige el equipo de investigación de la UNSW.

“La miniaturización de los dispositivos orgánicos es un hito importante para poder integrarlos en las tecnologías cuánticas funcionales, lo que permite aumentar su escala de forma efectiva para aplicaciones industriales y comerciales. Pero si hay una gran variación de propiedades dentro de un dispositivo, que es lo que hemos observado, cuanto más pequeño se haga, mayor será el impacto de esta variación en la capacidad de reproducir un dispositivo que se comporte de la misma manera. Si tienes una variación del 30% y haces dos dispositivos pequeños, tendrán el mismo aspecto, pero podrían comportarse de forma muy diferente. Si quieres utilizarlos para la detección o la lógica, no vas a obtener los mismos resultados de dos dispositivos que, por lo demás, son idénticos, debido a esta variación intrínseca”,  añade, el primer autor del artículo, Billy Pappas, estudiante de doctorado en la UNSW de Sydney. 

También se demostró que el efecto de campo Overhauser está «espacialmente correlacionado» (dispuesto en un patrón) en longitudes de hasta aproximadamente siete micrómetros. Esto abre la posibilidad de fabricar dispositivos a una escala de longitud en la que esta propiedad de espín sea muy uniforme.

Aunque se trata de una información útil para futuros intentos de fabricar dispositivos consistentes con el espín, hay una pega: el campo Overhauser sólo está correlacionado espacialmente durante un cierto periodo de tiempo antes de cambiar su distribución.

“Nos hemos dado cuenta de que hay un componente temporal. Así que si nos acercamos a una región concreta y repetimos estas mediciones, veremos grupos, pero en realidad están evolucionando con el tiempo, modificando efectivamente sus distribuciones espaciales. Estos cambios se producen a lo largo de uno o dos minutos, por lo que es muy difícil precisarlos”, explica Billy.

El siguiente paso de los investigadores es enfriar sus OLED a temperaturas muy bajas utilizando un criostato para eliminar las fluctuaciones térmicas, antes de emplear una técnica llamada resonancia magnética detectada ópticamente (ODMR) para medir con mayor precisión las fluctuaciones espacio temporales de estas propiedades de espín.

“Aunque este trabajo pone de manifiesto algunos de los problemas que hay que resolver para producir dispositivos de forma repetible, también es increíble que la tecnología utilizada en las pantallas OLED comerciales pueda utilizarse para sondear estos sutiles efectos cuánticos a temperatura ambiente”, concluye el profesor McCamey

Los resultados de este trabajo se han publicado en la revista Advanced Materials y están disponibles en el siguiente enlace:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202104186

Imagen de portada: Un mapa a vista de pájaro de las propiedades cuánticas de espín en un OLED generado por magneto-electroluminiscencia. Créditos: Exciton Science