Uma nova forma de aumentar as interações entre luz e matéria, desenvolvido por pesquisadores do MIT e Technion de Israel, poderia um dia levar a células solares mais eficientes que coletam uma gama mais ampla de comprimentos de onda de luz, e novos tipos de lasers e diodos emissores de luz (LEDs) que poderiam ter emissões de cores totalmente ajustáveis.

O princípio fundamental por trás da nova abordagem é uma maneira de obter o momento das partículas de luz, chamados fótons, para corresponder mais de perto aos elétrons, que normalmente é muitas ordens de magnitude maior. Por causa da enorme disparidade de momentum, essas partículas geralmente interagem muito fracamente; aproximar seus momentos permite um controle muito maior sobre suas interações, que poderia permitir novos tipos de pesquisa básica sobre esses processos, bem como uma série de novas aplicações, dizem os pesquisadores.

As novas descobertas, com base em um estudo teórico, estão sendo publicados hoje na revista Nature Photonics em um artigo de Yaniv Kurman da Technion (Instituto de Tecnologia de Israel, em Haifa); Nicholas Rivera, estudante de pós-graduação do MIT; Pós-doutorado do MIT Thomas Christensen; John Joannopoulos, o professor de física Francis Wright Davis no MIT; Marin Soljacic, professor de física no MIT; Ido Kaminer, um professor de física no Technion e ex-pós-doutorado do MIT; e Shai Tsesses e Meir Orenstein no Technion.

Embora o silício seja uma substância extremamente importante como base para a maioria dos eletrônicos atuais, não é adequado para aplicações que envolvem luz, como LEDs e células solares, embora seja atualmente o principal material usado para células solares, apesar de sua baixa eficiência, Kaminer diz. Melhorar as interações da luz com um importante material eletrônico, como o silício, pode ser um marco importante para a integração da fotônica - dispositivos baseados na manipulação de ondas de luz - com chips semicondutores eletrônicos.

A maioria das pessoas que estão investigando este problema concentrou-se no próprio silício, Kaminer disse, mas "esta abordagem é muito diferente - estamos tentando mudar a luz em vez de mudar o silício." Kurman acrescenta que "as pessoas projetam a matéria nas interações luz-matéria, mas eles não pensam em projetar o lado da luz. "

Uma maneira de fazer isso é desacelerando, ou encolhendo, a luz o suficiente para reduzir drasticamente o momento de seus fótons individuais, para aproximá-los dos elétrons. Em seu estudo teórico, os pesquisadores mostraram que a luz poderia ser retardada por um fator de mil, passando-a por um tipo de material de película fina multicamadas sobreposto com uma camada de grafeno. O material em camadas, feito de arseneto de gálio e camadas de arseneto de gálio e índio, altera o comportamento dos fótons que passam por ele de forma altamente controlável. Isso permite que os pesquisadores controlem a frequência das emissões do material em até 20 a 30 por cento, diz Kurman, quem é o autor principal do artigo.

A interação de um fóton com um par de partículas com carga oposta - como um elétron e seu "buraco" correspondente - produz uma quasipartícula chamada plasmon, ou um plasmon-polariton, que é um tipo de oscilação que ocorre em um material exótico como os dispositivos bidimensionais em camadas usados ​​nesta pesquisa. Esses materiais "suportam oscilações elásticas em sua superfície, realmente confinado "dentro do material, Rivera diz. Este processo efetivamente reduz os comprimentos de onda da luz em ordens de magnitude, ele diz, baixando-o "quase à escala atômica".

Por causa desse encolhimento, a luz pode então ser absorvida pelo semicondutor, ou emitido por ele, ele diz. No material à base de grafeno, essas propriedades podem ser controladas diretamente simplesmente variando a voltagem aplicada à camada de grafeno. Dessa forma, "podemos controlar totalmente as propriedades da luz, não apenas medir, "Kurman diz.

Embora o trabalho ainda esteja em um estágio inicial e teórico, os pesquisadores dizem que, em princípio, essa abordagem pode levar a novos tipos de células solares capazes de absorver uma gama mais ampla de comprimentos de onda de luz, o que tornaria os dispositivos mais eficientes na conversão da luz solar em eletricidade. Também pode levar a dispositivos produtores de luz, como lasers e LEDs, que pode ser ajustado eletronicamente para produzir uma ampla gama de cores. "Isso tem uma medida de sintonia que está além do que está disponível atualmente, "Kaminer diz.

“O trabalho é muito geral, "Kurman diz, portanto, os resultados devem se aplicar a muito mais casos do que os específicos usados ​​neste estudo. "Poderíamos usar vários outros materiais semicondutores, e alguns outros polaritons de matéria leve. "Embora este trabalho não tenha sido feito com silício, deve ser possível aplicar os mesmos princípios aos dispositivos baseados em silício, a equipe diz. "Ao fechar a lacuna de impulso, poderíamos introduzir o silício neste mundo "de dispositivos baseados em plasmon, Kurman diz.

Como as descobertas são tão novas, Rivera diz, ele "deve habilitar muitas funcionalidades que ainda não conhecemos".