Investigadores del RIKEN Center for Advanced Photonics en Japón han realizado un hallazgo significativo en el campo de la fotónica al descubrir cómo los nanotubos de carbono emiten luz de mayor energía que la que reciben. Este fenómeno, conocido como fotoluminiscencia de up-conversion (UCPL, por sus siglas en inglés), podría tener importantes aplicaciones en la generación de energía solar y en la imagenología biológica.
Tradicionalmente, la fotoluminiscencia se refiere al proceso en el que un material emite luz de menor energía tras ser iluminado por luz de alta energía, como la luz ultravioleta. Sin embargo, el UCPL presenta un comportamiento diferente: algunos materiales emiten luz de mayor energía cuando son iluminados. Esta propiedad podría aumentar la eficiencia de las celdas solares al permitir la conversión de luz de baja energía en longitudes de onda más altas, adecuadas para la generación de electricidad.
El mecanismo detrás de la fotoluminiscencia de up-conversion
En la fotoluminiscencia convencional, la luz que incide en un material excita un electrón, elevándolo a un nivel de energía superior y creando un par electrón-hueco. Este par, conocido como excitón, eventualmente se recombina, liberando luz en el proceso. En este contexto, la energía de la luz emitida es inferior a la de la luz que la generó.
En contraste, en el UCPL, el excitón recibe un impulso energético adicional al interactuar con vibraciones en el material, denominadas fonones. Esto permite que el excitón emita luz con más energía que la luz inicial. Los investigadores, liderados por Yuichiro Kato, encontraron que este fenómeno puede ocurrir de manera efectiva en nanotubos de carbono de pared simple, incluso en aquellos sin defectos estructurales, lo que contradice teorías previas que sugerían que las imperfecciones eran necesarias para el UCPL.
El estudio revela que cuando un electrón es excitado por la luz, recibe un impulso energético simultáneo de un fonón, formando un estado conocido como excitón oscuro. Después de perder algo de energía, este excitón emite luz de mayor energía que la del láser que lo excitó. Además, se observó que el aumento de la temperatura intensificaba el efecto de UCPL, corroborando las predicciones del modelo desarrollado por los investigadores.
Con la intención de continuar su investigación, los científicos planean explorar la posibilidad de enfriar un nanotubo utilizando iluminación láser para eliminar energía térmica a través del UCPL, así como las oportunidades de recolección de energía para crear dispositivos basados en nanotubos. «Al establecer un modelo intrínseco de UCPL en nanotubos de carbono de pared simple, esperamos abrir nuevas posibilidades para diseñar dispositivos óptico-electrónicos y fotónicos avanzados», afirmó Kato.
Más información: Daichi Kozawa et al, Intrinsic process for upconversion photoluminescence via K-momentum–phonon coupling in carbon nanotubes, Physical Review B (2024). DOI: 10.1103/PhysRevB.110.155418
