Logran controlar electrones en escalas de tiempo del orden del femtosegundo

Un femtosegundo es a un segundo lo que un segundo es a unos 32 millones de años, y la capacidad de controlar electrones en escalas de tiempo tan minúsculas tiene diversas aplicaciones prácticas, como por ejemplo ayudar a mejorar la eficiencia de las células solares.

Cuando la luz incide sobre una superficie conductora como una placa de silicio o una lámina de grafeno, esa luz activa ciertos electrones en estados de alta energía y pone en marcha una cascada de interacciones que ocurre muchísimo más rápido que un abrir y cerrar de ojos. Dentro de pocos femtosegundos, estos electrones energizados pueden dispersarse entre otros electrones como bolas golpeadas en una mesa de billar, lo cual disipa rápidamente la energía en un proceso ultrarrápido conocido como termalización.

Ahora unos físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en la ciudad estadounidense de Cambridge, han dado con una forma de manipular los electrones en el grafeno en los primeros femtosegundos de la fotoexcitación. Con su técnica, es posible reconducir adecuadamente estos electrones de alta energía antes de que interactúen con otros electrones en el material.

El control ultraveloz de electrones de alta energía que ha conseguido el equipo de Pablo Jarillo-Herrero, Qiong Ma, Jing Kong y Nuh Gedik, hace factible fabricar dispositivos fotovoltaicos y similares más eficientes, que basen su eficacia en capturar electrones fotoexcitados antes de que pierdan su energía por el efecto de termalización.

En sistemas convencionales, solo se puede empezar a hacer cosas un millar de femtosegundos después, cuando estas interacciones ultrarrápidas ya han tenido lugar. Jarillo-Herrero y sus colaboradores ahora son capaces de decidir si el electrón debe ir aquí o allí, antes de que interactúe con cualquier otro electrón, o sea en cuestión de unos pocos femtosegundos.

En esta imagen, la "explosión" del medio es una nube de electrones calientes, dentro de grafeno, que rebotan entre sí durante el proceso de alcanzar el equilibrio y esparcirse hacia fuera. Las esferas rojas son aquellos electrones que son lo suficientemente energéticos para escapar de la nube caliente en menos de 30 femtosegundos y generar una corriente eléctrica. Los investigadores del MIT han desarrollado una técnica para acceder a estos procesos ultrarrápidos y controlarlos. (Imagen: Ella Marushchenko, Ella Maru studio)

Esta capacidad de control ultrarrápido se vale de la naturaleza del grafeno en sí mismo. Debido a que el grafeno es tan excepcionalmente delgado, los electrones no tienen que saltar muy lejos si consiguen el empujón apropiado. El grafeno es de solo un átomo de grosor, por lo que los electrones ya están en la superficie, y eso hace que para ellos resulte mucho más fácil saltar fuera de allí y aterrizar en otro material.

El equipo pronto encontró que para lograr que los electrones saltasen de una hoja de grafeno a otra se requiere la combinación correcta de voltaje y luz. Los investigadores analizaron los resultados de sus experimentos y han identificado las combinaciones idóneas de voltaje y longitud de onda de luz para hacer que los electrones de alta energía permanezcan dentro de la capa de grafeno superior, o bien hacer que salten a la capa inferior.

En última instancia, esta línea de investigación y desarrollo puede ayudar a mejorar las células solares y dispositivos parecidos, al permitirles una mayor captura y uso de electrones fotoexcitados.

Las células solares actuales funcionan de un modo tal que si un fotón llega y puede ser absorbido por el silicio, contribuye a generar corriente en el dispositivo fotovoltaico; pero si la luz se compone de fotones infrarrojos de baja energía, estos no son absorbidos por el silicio. Eso limita seriamente la eficiencia de las células solares de silicio. Ahora, con el nuevo dispositivo, en principio se pueden absorber muchos fotones de baja energía, que el silicio apenas aprovecha, de manera que la acumulación de energía extra puede contribuir a generar una corriente en el circuito eléctrico.

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