p Na busca de colher luz para a eletrônica, o ponto focal é o momento em que os fótons - partículas de luz - encontram elétrons, aquelas partículas subatômicas carregadas negativamente que formam a base de nossas vidas eletrônicas modernas. Se as condições forem adequadas quando os elétrons e fótons se encontram, uma troca de energia pode ocorrer. Maximizar essa transferência de energia é a chave para tornar possível uma energia eficiente com captura de luz. p "Este é o ideal, mas encontrar alta eficiência é muito difícil, "disse o estudante de doutorado em física da Universidade de Washington, Sanfeng Wu." Os pesquisadores têm procurado materiais que lhes permitam fazer isso - uma maneira é fazer com que cada fóton absorvido transfira toda a sua energia para muitos elétrons, em vez de apenas um elétron em dispositivos tradicionais. "

p Em métodos tradicionais de colheita de luz, a energia de um fóton excita apenas um elétron ou nenhum, dependendo da lacuna de energia do absorvedor, transferir apenas uma pequena porção da energia luminosa em eletricidade. A energia restante é perdida na forma de calor. Mas em um jornal lançado em 13 de maio em Avanços da Ciência , Wu, O professor associado da UW, Xiaodong Xu, e colegas de outras quatro instituições descrevem uma abordagem promissora para induzir os fótons a estimular vários elétrons. Seu método explora algumas interações de nível quântico surpreendentes para dar a um fóton múltiplos parceiros de elétrons potenciais. Wu e Xu, que tem nomeações no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e no Departamento de Física da UW, fez esta descoberta surpreendente usando grafeno.

p "O grafeno é uma substância com muitas propriedades interessantes, "disse Wu, o autor principal do artigo. "Para nossos propósitos, mostra uma interação muito eficiente com a luz. "

p O grafeno é uma rede hexagonal bidimensional de átomos de carbono ligados uns aos outros, e os elétrons são capazes de se mover facilmente dentro do grafeno. Os pesquisadores pegaram uma única camada de grafeno - apenas uma folha de átomos de carbono de espessura - e a prensaram entre duas camadas finas de um material chamado nitreto de boro.

p "O nitreto de boro tem uma estrutura de rede muito semelhante ao grafeno, mas tem propriedades químicas muito diferentes, "disse Wu." Os elétrons não fluem facilmente dentro do nitreto de boro; essencialmente atua como um isolante. "

p Xu e Wu descobriram que quando a estrutura da camada de grafeno está alinhada com as camadas de nitreto de boro, uma espécie de "superrede" é criada com propriedades que permitem a optoeletrônica eficiente que os pesquisadores haviam buscado. Essas propriedades dependem da mecânica quântica, as regras ocasionalmente desconcertantes que governam as interações entre todas as partículas conhecidas da matéria. Wu e Xu detectaram regiões quânticas únicas dentro da superrede conhecida como singularidades de Van Hove.

p "Estas são regiões de grande densidade de elétrons de estados, e eles não foram acessados ​​no grafeno ou nitreto de boro sozinho, "disse Wu." Nós só criamos essas regiões de alta densidade de elétrons de uma forma acessível quando ambas as camadas estavam alinhadas. "

p Quando Xu e Wu direcionaram fótons energéticos para a superrede, eles descobriram que essas singularidades de Van Hove eram locais onde um fóton energizado poderia transferir sua energia para vários elétrons que são subsequentemente coletados por eletrodos - não apenas um elétron ou nenhum com a energia restante perdida na forma de calor. Por uma estimativa conservadora, Xu e Wu relatam que, dentro dessa superrede, um fóton poderia "chutar" até cinco elétrons para fluir como a corrente.

p Com a descoberta da coleta de múltiplos elétrons após a absorção de um fóton, os pesquisadores podem ser capazes de criar dispositivos altamente eficientes que podem coletar luz com um grande lucro de energia. Trabalhos futuros precisariam descobrir como organizar os elétrons excitados em corrente elétrica para otimizar a eficiência de conversão de energia e remover algumas das propriedades mais complicadas de sua superrede, como a necessidade de um campo magnético. Mas eles acreditam que esse processo eficiente entre fótons e elétrons representa um grande progresso.

p “O grafeno é um tigre com grande potencial para optoeletrônica, mas trancado em uma gaiola, "disse Wu." As singularidades nesta superrede são a chave para destravar aquela gaiola e liberar o potencial do grafeno para aplicação de coleta de luz. "