Un equipo de investigadores de ETH Zurich, junto con científicos del Laboratorio de Tecnología y Ciencia de Materiales Empa (Suiza) y del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) en Barcelona, han creado una antena para fuentes de luz en un chip utilizando una colocación inusual de un material semiconductor. En el futuro, los LED y láseres a nanoescala eficientes podrían producirse de esta manera.
Los investigadores han estado trabajando en fuentes de luz en miniatura que se basan en efecto túnel. Entre dos electrodos (hechos de oro y grafeno en este caso) separados por un material aislante, los electrones pueden hacer un túnel según las reglas de la mecánica cuántica. En circunstancias particulares, si el proceso del túnel es inelástico, lo que significa que la energía de los electrones no se conserva, se puede crear luz.
Sin embargo, el rendimiento de esas fuentes de luz es bastante pobre porque la emisión radiativa es muy ineficiente. Este problema de emisión es bien conocido en otras áreas de la tecnología. En los teléfonos móviles, por ejemplo, los chips que crean las microondas necesarias para la transmisión tienen solo unos pocos milímetros de tamaño. Por el contrario, las propias microondas tienen una longitud de onda de unos 20 centímetros, lo que las hace cien veces más grandes que el chip. Para superar esta diferencia de tamaño se necesita una antena.
Nuevo enfoque en la investigación
Los científicos estaban investigando capas de materiales semiconductores como el disulfuro de tungsteno con un grosor de un solo átomo intercalado entre los electrodos de la unión del túnel, para crear luz de esta manera. En principio, se supondría que la posición óptima debería estar en algún lugar entre los dos electrodos, tal vez un poco más cerca de uno que del otro. En cambio, los investigadores intentaron algo completamente diferente al colocar el semiconductor encima del electrodo de grafeno, completamente fuera de la unión del túnel.
Sorprendentemente, esta posición aparentemente ilógica funcionó muy bien. Los investigadores descubrieron la razón de esto variando el voltaje aplicado a la unión del túnel y midiendo la corriente que fluye a través de él. Esta medición mostró una resonancia clara, que coincidía con la llamada resonancia de excitón del material semiconductor.
Asimismo, la temperatura también juega un papel importante. Cuanto más baja es la temperatura, más pronunciada es la resonancia. Al enfriar los dispositivos a temperaturas tan bajas como -263℃, se disminuye la energía de movimiento promedio de los electrones y obtuvo resonancias mucho más nítidas y fuertes que permanecen débiles o incluso invisibles a temperatura ambiente.
Creación de la antena
Los excitones están formados por un hueco con carga positiva, que corresponde a un electrón faltante, y un electrón unido por el hueco. Pueden ser excitados, por ejemplo, por irradiación de luz. La resonancia del excitón era una señal clara de que el semiconductor no estaba excitado directamente por los portadores de carga (después de todo, no fluían electrones a través de él), sino que absorbía la energía creada en la unión del túnel y posteriormente la reemitía. En otras palabras, actuó como una antena.
El objetivo de la investigación es mejorar esta antena para que emita luz. Si los investigadores logran que la emisión de luz del semiconductor sea más eficiente, debería ser posible crear fuentes de luz que midan solo unos pocos nanómetros y, por lo tanto, sean mil veces más pequeñas que la longitud de onda de la luz que producen.