Descubren una nueva propiedad de la luz gracias al silicio

Un equipo de investigación dirigido por químicos de la Universidad de California en Irvine ha descubierto una forma previamente desconocida en la que la luz interactúa con la materia, un hallazgo que podría conducir a mejores sistemas de energía solar, emisores de luz, láseres semiconductores y otros avances tecnológicos.

En un artículo publicado recientemente en la revista ACS Nano , los científicos, junto con colegas de la Universidad Federal de Kazán en Rusia, explican cómo aprendieron que los fotones pueden obtener un impulso sustancial, similar al de los electrones en materiales sólidos, cuando están confinados en espacios de escala nanométrica en silicio.

“El silicio es el segundo elemento más abundante de la Tierra y forma la columna vertebral de la electrónica moderna. Sin embargo, al ser un semiconductor indirecto, su utilización en optoelectrónica se ha visto obstaculizada por propiedades ópticas deficientes”, dijo el autor principal, Dmitry Fishman, profesor adjunto de química de UC Irvine.

Dijo que si bien el silicio no emite luz de forma natural en su forma masiva, el silicio poroso y nanoestructurado puede producir luz detectable después de haber sido expuesto a la radiación visible. Los científicos conocen este fenómeno desde hace décadas, pero el origen preciso de la iluminación ha sido objeto de debate.

Más cerca de Raman que de Compton

“En 1923, Arthur Compton descubrió que los fotones gamma poseían suficiente impulso para interactuar fuertemente con electrones libres o ligados. Esto ayudó a demostrar que la luz tenía propiedades tanto de onda como de partícula, un hallazgo que llevó a Compton a recibir el Premio Nobel de Física en 1927”, dijo Fishman. "En nuestros experimentos, demostramos que el impulso de la luz visible confinada a cristales de silicio a nanoescala produce una interacción óptica similar en los semiconductores".

Para comprender el origen de la interacción es necesario volver a principios del siglo XX. En 1928, el físico indio CV Raman, que ganó el Premio Nobel de Física en 1930, intentó repetir el experimento de Compton con luz visible. Sin embargo, encontró un obstáculo formidable en la importante disparidad entre el momento de los electrones y el de los fotones visibles. A pesar de este revés, las investigaciones de Raman sobre la dispersión inelástica en líquidos y gases condujeron a la revelación de lo que ahora se reconoce como el efecto Raman vibratorio, y la espectroscopia (un método crucial de estudios espectroscópicos de la materia) ha llegado a conocerse como dispersión Raman.

"Nuestro descubrimiento del impulso de los fotones en el silicio desordenado se debe a una forma de dispersión electrónica Raman", dijo el coautor Eric Potma, profesor de química de UC Irvine. "Pero a diferencia del Raman vibratorio convencional, el Raman electrónico implica diferentes estados inicial y final para el electrón, un fenómeno que anteriormente sólo se observaba en los metales".

Nueva propiedad de la luz

Para sus experimentos, los investigadores produjeron en su laboratorio muestras de vidrio de silicio cuya claridad variaba desde amorfa hasta cristalina. Sometieron una película de silicio de 300 nanómetros de espesor a un rayo láser de onda continua muy enfocado que fue escaneado para escribir una serie de líneas rectas. En zonas donde la temperatura no superaba los 500 grados centígrados, el procedimiento dio como resultado la formación de un vidrio reticulado homogéneo. En zonas donde la temperatura superaba los 500º C, se formaba un vidrio semiconductor heterogéneo. Esta “película de espuma ligera” permitió a los investigadores observar cómo variaban las propiedades electrónicas, ópticas y térmicas en la escala nanométrica.

"Este trabajo desafía nuestra comprensión de la interacción de la luz y la materia, subrayando el papel fundamental del momento de los fotones", dijo Fishman. “En sistemas desordenados, la coincidencia de impulso electrón-fotón amplifica la interacción, un aspecto previamente asociado solo con fotones gamma de alta energía en la dispersión Compton clásica. En última instancia, nuestra investigación allana el camino para ampliar las espectroscopías ópticas convencionales más allá de sus aplicaciones típicas en el análisis químico, como la espectroscopia Raman vibratoria tradicional, al ámbito de los estudios estructurales: la información que debería estar íntimamente vinculada con el impulso del fotón", explica Potma.

Energía solar

“Esta nueva propiedad de la luz sin duda abrirá un nuevo ámbito de aplicaciones en optoelectrónica. El fenómeno aumentará la eficiencia de los dispositivos de conversión de energía solar y de los materiales emisores de luz, incluidos materiales que antes se consideraban no aptos para la emisión de luz”, sentenció.

Los coautores de este estudio incluyeron a Jovany Merham, especialista junior en química de UC Irvine, y los investigadores de la Universidad Federal de Kazán Sergey Kharintsev, Elina Battalova y Aleksey Noskov. El proyecto recibió apoyo financiero de la Iniciativa Chan Zuckerberg y la Universidad Federal de Kazán.

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