Hace aproximadamente un año, un grupo de investigadores del Instituto de Ciencias fotónicas de Barcelona (ICFO) mostró indirectamente que el grafeno es capaz de transformar un solo fotón en múltiples electrones; es decir, que podría ser altamente eficaz para la transformación de la luz en electricidad. Ahora, un grupo de científicos de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) ha conseguido demostrar cómo se produce este fenómeno. El trabajo, que ya se ha publicado en la revista Nano Letters, abre la posibilidad de crear una nueva generación de dispositivos fotovoltaicos muy avanzados con este material.
Imagen cortesía de ICFO
Los científicos sabían que cuando el grafeno absorbe un fotón, genera múltiples electrones con la energía suficiente para conducir una corriente eléctrica. El problema era que este fenómeno de conversión de los fotones en electricidad se produce a tal velocidad que las técnicas convencionales no podían detectarlo. La noticia es que un equipo integrado por científicos de varias universidades (la EPFL de Suiza, la Aarhus de Dinamarca y el Centro Elettra de Italia), ha desarrollado un nuevo método de espectroscopia denominado “de fotoemisión en tiempo ultrarrápido y con resolución de ángulo” (trARPES) que sí lo permite.
La demostración con esta técnica avanzada de espectroscopia se ha realizado en el laboratorio Rutherford Appleton de Oxford (Inglaterra). Para poder capturar el proceso de conversión, los investigadores introdujeron una pequeña muestra de grafeno en una cámara de alto ultra vacío (UHV) y la sometieron al impacto de un pulso “bomba” ultrarrápido de luz láser con el propósito de excitar sus electrones y llevarlos a estados de energía más elevados en los que pueden conducir una corriente eléctrica. Entonces, golpearon el grafeno con un pulso sonda temporizado que fotografía la energía que cada electrón presenta en un momento determinado. Las instantáneas se tomaron una y otra vez creando una especie de película de animación que recoge todo el proceso de conversión.
Control del flujo de energía en las telecomunicaciones
Así como los fotones son cuantizaciones (cuantos) de ondas electromagnéticas y mecánicas, el plasmón es la cuasipartícula resultante de la cuantización de las oscilaciones del plasma. Pues bien, hace unos días, científicos del ICFO, del MIT, del CNRS, CNISM y Graphanea han demostrado que es posible el control eléctrico del flujo de energía de iones de erbio a los fotones y plasmones mediante la simple aplicación de un voltaje eléctrico. Los iones de erbio emiten luz a una longitud de onda de 1,5 mm, longitud conocida como la tercera ventana de telecomunicaciones (muy importante en las telecomunicaciones ópticas porque es una región en la que se produce poca pérdida de energía, lo que favorece la transmisión de información) , y se utilizan en los amplificadores de fibra óptica.
Poder controlar la modulación eléctrica de la emisión de fotones en las comunicaciones ópticas y en dispositivos emisores de luz como los láseres, sensores o pantallas es una hecho relevante y supone la posibilidad de crear nuevos nanodispositivos fotónicos basados en la plasmónica activa.
El investigador del ICFO Frank Koppens ha comentado que este trabajo «demuestra que, gracias a las propiedades optoelectrónicas del grafeno, es posible el control eléctrico eficaz de la luz a escalas nanométricas«. Los resultados de la investigación pueden posibilitar una nueva generación de nano-sensores con aplicaciones en diversas áreas como el de las biomoléculas, las células solares y los detectores de luz, así como en el procesamiento de información cuántica.
El estudio, publicado en la revista Nature Physics, ha sido financiado por Flagship Grafeno de la Comisión Europea, el programa NWO Rubicon, la Fundació Privada Cellex Barcelona, y los programas ERC y MIT MISTI-España.
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