Más rápida, más eficiente y más versátil: estas son las expectativas para la tecnología que producirá nuestra energía y gestionará la información en el futuro. Pero ¿cómo se pueden cumplir estas expectativas? Un equipo internacional de investigadores de las Universidades de Gotinga, Marburgo, Humboldt de Berlín (Alemania) y Graz (Austria) ha logrado un gran avance en física. Los científicos combinaron dos tipos de materiales muy prometedores (semiconductores orgánicos y semiconductores bidimensionales) y estudiaron su respuesta combinada a la luz mediante espectroscopia fotoelectrónica y la teoría de perturbaciones de muchos cuerpos.
Nuevo estado cuántico
Esto les permitió observar y describir procesos microscópicos fundamentales, como la transferencia de energía, en la interfaz 2D-orgánica con una resolución temporal ultrarrápida, es decir, una cuatrillónésima de segundo. La combinación de estas propiedades es prometedora para el desarrollo de nuevas tecnologías, como la próxima generación de células solares.
«La clave de esta transferencia de energía ultrarrápida es la formación de ‘excitones híbridos’, para los cuales hemos encontrado una firma experimental reveladora».
En el experimento, los investigadores utilizaron una forma avanzada de espectroscopía fotoelectrónica llamada microscopía de momento para visualizar la estructura electrónica a medida que es manipulada por la luz. La «película» resultante muestra cómo los excitones (partículas de la mecánica cuántica que consisten en un electrón unido a un electrón-hueco) se excitan primero y luego se transforman en nuevas especies de excitones.
Basándose en la huella espectroscópica única de cada especie de excitón y con el apoyo de cálculos teóricos del paisaje excitónico, los investigadores pudieron observar con exactitud cómo se absorbe y distribuye la energía en la interfaz 2D-orgánica. En particular, descubrieron que la absorción de un fotón en el material 2D puede provocar la transferencia de energía a la capa orgánica en menos de una diezbillonésima (10⁻³) de segundo.
«La clave de esta transferencia de energía ultrarrápida es la formación de ‘excitones híbridos’, para los cuales hemos encontrado una firma experimental reveladora«, explica el profesor Stefan Mathias, de la Universidad de Gotinga. Pero ¿qué son exactamente los «excitones híbridos»? Los excitones se crean por la absorción de luz en semiconductores y, por lo tanto, desempeñan un papel fundamental en dispositivos optoelectrónicos como células solares y diodos emisores de luz.
Tecnología del futuro
Dependiendo del material, los excitones presentan propiedades muy diferentes. En semiconductores orgánicos, los excitones suelen ser inmóviles (están prácticamente fijados en un punto), mientras que en semiconductores bidimensionales son extremadamente móviles y flotan libremente por todo el material.
Sin embargo, en la interfaz entre un semiconductor orgánico y uno bidimensional, tanto las propiedades del material como las de los excitones podrían hibridarse, lo que podría dar lugar a la formación de nuevos excitones híbridos. Esto es precisamente lo que observaron los investigadores en la interfaz entre el material bidimensional WSe₂ y el semiconductor orgánico PTCDA.
“Nuestros resultados nos permiten comprender mejor y aprovechar eficientemente los procesos fundamentales que subyacen a la transferencia de energía y carga en nanoestructuras semiconductoras. Este es un paso crucial hacia el desarrollo de células solares eficientes, componentes optoelectrónicos ultrarrápidos y nuevas aplicaciones en tecnología cuántica”, explica Wiebke Bennecke, de la Universidad de Gotinga y primera autora del estudio. “Al conmemorar el centenario del desarrollo de la mecánica cuántica, nuestros hallazgos ilustran contundentemente su relevancia actual para la tecnología del futuro”.
