Avanza método acerca del aprovechamiento de fotones y absorción de su energía

La ciencia de frontera indaga cómo obtener más energía aprovechando los fotones o partículas de luz, pero ya no sólo creando o buscando los materiales que la absorban, sino haciendo “ingeniería” en las partículas de luz, dividiéndolas y revisando cómo puede ser aprovechada en beneficio del hombre.

Esto es lo que llevó a científicos del Instituto de Ciencias Nucleares (ICN) a desarrollar un método que permitirá generar equipos más pequeños para dispositivos que aprovechen la absorción de luz como paneles solares.

El método fue presentado en la revista Journal of Physical Chemistry A por Pilar Carreón Castro, Alfred Barry U’Ren Cortés, Roberto de J. León Montiel y Violeta Álvarez Venicio, todos expertos del ICN, quienes desde hace tiempo revisan el estudio de la absorción de dos fotones entrelazados.

“Estas técnicas permiten evaluar compuestos para saber si pueden ser candidatos, o no, potencialmente útiles para aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos como las celdas fotovoltáicas o los o-leds que están de moda y es lo rico de tener esta contribución”, explicó Carreón Castro.

Base teórica

Hace 25 años se teorizó que la absorción de dos fotones entrelazados en compuestos orgánicos era hasta 10 órdenes de magnitud más eficiente que la luz clásica, en un proceso que se le conoce como Entangled Two-Photon Absorption (ETPA). Para 2017 expertos de la Universidad de Michigan reportaron que esta teoría era correcta y una realidad. Entonces, la comunidad científica especializada comenzó a intentar reproducir los experimentos.

En México, León Montiel y U’Ren Cortés, se interesaron en probar los experimentos e hicieron todas las pruebas reportadas, el escalamiento lineal típico del proceso de absorción y verificaron las propiedades de correlación de los fotones, pero encontraron que los resultados no coincidían con las predicciones de modelos realistas del fenómeno.

Para explicar el porqué de las diferencias, los expertos desarrollaron un método que les permitiera visualizar mejor las pérdidas lineales de fotones, mejoraron el análisis de los datos y añadieron un sistema de referencia.

U’Ren Cortés destacó: “Por un lado introdujimos un retraso temporal controlable, es decir, los fotones llegan a la muestra o compuesto orgánico como si fueran dos soldaditos que caminan juntos, nosotros podemos hacer que se desfasen, y lleguen a la muestra con un pequeño retraso. La teoría indica que si el retraso supera cierto valor, se tiene que suprimir el efecto”.

Pero encontraron que pese a que se superara el tiempo el fenómeno de absorción sigue siendo visible, pero no se debía a la absorción de dos fotones; por lo que ahora proponen nuevas opciones para completar la teoría y acercarse a lo que en realidad sucede.

Para contar con los mejores materiales de absorción, acudieron a Carreón Castro y Álvarez Venicio, quienes propusieron utilizar rodamina B y tetrafenilporfirina de zinc.

“Es un gusto tener el desarrollo de estas aplicaciones conjuntando la parte de desarrollo de materiales, algunos nuevos o, como en este caso, compuestos de carbono, hidrógeno y oxígeno. Para este artículo se quiso utilizar la Rodamina B, un derivado del xanteno que ha sido ampliamente utilizado como colorante en la industria textil, del papel y recientemente con láseres sintonizables y lo que tratamos de ver son sus propiedades fluorescentes y la fácil preparación que tenemos de este tipo de pigmento”, explicó Carreón Castro.

También se trabajó con la Porfirina metalada de Zinc, la cual tiene un anillo muy particular y lo que se trata de ver es cómo este tipo de compuestos pueden ser aprovechados con la técnica desarrollada en el ICN, además de otros elementos sintetizados que podrían ser útiles, agregó Álvarez Venicio.

Esta colaboración multidisciplinaria continuará ya que ahora quieren hacer experimentos con compuestos que sintetizan en el Laboratorio de Nanopelículasdel ICN.

Este artículo ha generado gran interés entre la comunidad científica por lo que los universitarios fueron invitados recientemente a la Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO), uno de los eventos más importantes de las áreas de óptica y electrónica, al ser el encuentro donde se presentó, hace varias décadas, por primera vez el láser.

Respecto a que el efecto del uso de pares de fotones en el proceso incrementara la eficiencia de absorción en 10 órdenes de magnitud poco a poco “está descartado, lo que pudiera ser el caso es que se puede ver el efecto de manera tenue y con esfuerzo, pero no como se había pensado hace tres o cuatro años y ese es el consenso al que está llegando la comunidad”, añadió U’Ren Cortés.

El método, permite también conocer cómo interactúa la partícula de luz con los materiales orgánicos (cómo los excita) lo que es interesante para aprovechar la energía utilizando materiales orgánicos fotovoltáicos, los cuales en la actualidad no pueden competir con los materiales sintéticos en cuanto a eficiencia, añadieron los especialistas.

“La miniaturización, en general, es para hacer dispositivos que sean todo integrado. Muchos laboratorios que hacen imágenes usando procesos de absorción, requieren láseres con pulsos cortos y a veces son equipos muy grandes, entonces la idea es tratar de tener equipos más compactos y que sean baratos comparados con éstos que deben ser muy grandes de espectroscopía”, detalló León Montiel.

La luz, explicó U’Ren Cortés, puede ser una onda y una partícula llamada fotón. En el laboratorio, los investigadores trabajan con una técnica basada en la óptica no lineal, que les permite generar pares de fotones, es decir, es similar a dividir la energía de un solo fotón en dos pequeñas partículas.

En paquetes

León Montiel añadió que se ha visto a que cuando se desea que los átomos de algún material, ya sea sintético u orgánico, absorban la energía (excitación) de esos fotones es mejor hacerlo en paquetes, es decir, con un color y longitud de onda en particular. Se ha visto que al enviar muchos fotones en condiciones normales la absorción de la energía es muy baja, por lo que se suelen requerir fuentes de energía muy costosas.

“Una de las motivaciones para el trabajo es que se demostró hace unos años que se podía hacer esta labor pero con un flujo mucho más bajo, lo cual es muy atractivo porque ya no se requerirían equipos enormes de pulsos ultracortos o muy caros, sino que se podrían usar fuentes relativamente económicas para esos equipos y se pueden miniaturizar”, agregó León Montiel.

¿Por qué el flujo de energía es más pequeño con este método? Cuando se utiliza luz clásica se tienen que mandar muchas partículas para que la probabilidad de que dos lleguen al mismo tiempo sea suficiente, pero en las parejas de fotones la probabilidad de que entren es mucho más alta que en la que no se tienen pares de fotones y ese es el proceso que los universitarios deseaban revisar.