Pesquisadores desenvolveram um novo tipo de fotodetector de alta eficiência inspirado nos complexos fotossintéticos que as plantas usam para transformar a luz solar em energia. Os fotodetectores são usados ​​em câmeras, sistemas de comunicação óptica e muitas outras aplicações para transformar fótons em sinais elétricos.
"Nossos dispositivos combinam transporte de energia óptica de longo alcance com conversão de longo alcance em corrente elétrica", disse o líder da equipe de pesquisa Stephen Forrest, da Universidade de Michigan. “Esse arranjo, análogo ao que é visto nas plantas, tem o potencial de aumentar muito a eficiência de geração de energia das células solares, que usam dispositivos semelhantes a fotodetectores para converter a luz solar em energia”.

Os complexos fotossintéticos encontrados em muitas plantas consistem em uma grande região de absorção de luz que fornece energia de estado molecular excitado para um centro de reação onde a energia é convertida em carga. Embora essa configuração seja muito eficiente, imitá-la requer o transporte de energia de longo alcance em um material orgânico, o que se mostrou difícil de realizar.

Para realizar essa tarefa aparentemente impossível, os pesquisadores usaram quasipartículas únicas conhecidas como polaritons. Em Óptica jornal, Forrest e colegas relatam seu novo detector, que gera polaritons em um filme orgânico fino.

“Um polariton combina um estado molecular excitado com um fóton, dando-lhe propriedades semelhantes à luz e à matéria que permitem o transporte e a conversão de energia de longo alcance”, disse Forrest. "Este fotodetector é uma das primeiras demonstrações de um dispositivo optoeletrônico prático baseado em polaritons."

Aproveitando a sugestão das plantas

Os pesquisadores imaginaram o novo detector há vários anos, enquanto procuravam maneiras de fazer células solares melhores. "Depois de observar a propagação do polariton a longas distâncias em estruturas simples, como um espelho com um filme orgânico em sua superfície, pensamos que seria possível fazer um análogo fotossintético usando polaritons", disse Forrest. "No entanto, foi muito difícil descobrir como construir tal dispositivo."

Para criar um fotodetector baseado em polaritons, os pesquisadores tiveram que projetar estruturas que permitissem a propagação de polaritons por longas distâncias em um filme fino de semicondutor orgânico. Eles também tiveram que descobrir como integrar um detector orgânico simples na região de propagação de uma maneira que produzisse uma conversão eficiente de polariton em carga.

"Pegamos emprestado de estruturas que projetamos anteriormente para criar células fotovoltaicas orgânicas eficientes", disse Forrest. "Foi um pouco fortuito que essas estruturas permitissem a coleta eficiente da energia transportada pelos polaritons. Os polaritons ainda guardam alguns mistérios, e essa é uma nova maneira de usá-los, então não tínhamos certeza se funcionaria."

Propagação de longa distância

Os pesquisadores analisaram seu novo dispositivo usando um microscópio especial de plano Fourier para observar a propagação do polariton. Devido à estrutura incomum do detector, eles tiveram que desenvolver uma maneira de quantificar com precisão os resultados e colocá-los no contexto dos detectores convencionais bem conhecidos da comunidade óptica.

Os resultados mostraram que o novo fotodetector é mais eficiente na conversão de luz em corrente elétrica do que um fotodiodo de silício comparável. Ele também pode coletar luz de áreas de cerca de 0,01 mm ² e alcançar a conversão de luz em corrente elétrica em distâncias excepcionalmente longas de 0,1 nm. Esta distância é três ordens maior do que a distância de transferência de energia dos complexos fotossintéticos.

Até agora, a maioria dos polaritons foram observados como quasipartículas estacionárias em cavidades fechadas com espelhos altamente refletivos na parte superior e inferior. O novo trabalho revelou informações importantes sobre como os polaritons se propagam em estruturas abertas com um único espelho. O novo dispositivo também permitiu as primeiras medições de quão eficientemente os fótons incidentes podem ser convertidos em polaritons.

"Nosso trabalho mostra que os polaritons, além de serem uma ciência interessante, também são uma mina de ouro de aplicações ainda a serem descobertas", disse Forrest. “Dispositivos como o nosso fornecem um método incomum, e possivelmente único, para entender as propriedades fundamentais dos polaritons e permitir formas ainda não imaginadas de manipular a luz e a carga”. + Explorar mais

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