Investigadores de la Universidad de Princeton y la Universidad Estatal de Carolina del Norte han desarrollado una técnica innovadora que mejora significativamente la capacidad de convertir luz de baja energía en luz de alta energía. Este avance tiene aplicaciones inmediatas en el campo de la iluminación y las pantallas.
La investigación se basa en una técnica conocida como conversión ascendente por fusión de tripletes (triplet-fusion upconversion), que utiliza una combinación de moléculas para capturar luz de menor energía, como la luz verde, y transformarla en luz de mayor energía, como la azul o la ultravioleta. Las moléculas absorben energía de la luz incidente y la almacenan temporalmente al mover electrones a un estado orbital superior. Las moléculas excitadas colisionan y liberan la energía almacenada en forma de luz de mayor energía. Si bien la conversión ascendente ya es efectiva en líquidos, debido a la constante movilidad de las moléculas que facilita su interacción y el aumento de la energía lumínica, en los sólidos la excitación no se propaga fácilmente. Los sistemas sólidos existentes suelen solucionar este problema utilizando luz extremadamente intensa para generar una gran cantidad de estados excitados que interactúen, pero estas técnicas requieren una alta potencia de entrada, limitando la aplicabilidad de la conversión ascendente.
El equipo de investigación, liderado por Barry Rand, profesor de ingeniería eléctrica y de computación de Princeton y del Andlinger Center for Energy and the Environment, propuso aprovechar un fenómeno llamado plasmonica para potenciar la conversión ascendente en una fina película metálica. La plasmonica es la interacción entre los electrones en la superficie de los metales y las ondas electromagnéticas, como la luz visible. Algunos materiales, principalmente metales, tienen electrones que no están ligados a átomos específicos, sino que existen como electrones libres en el metal. Cuando la luz incide sobre estos electrones libres, se produce una oscilación que fusiona la energía de la luz con el movimiento de los electrones. Estas oscilaciones, denominadas plasmones, concentran la luz y mejoran el campo electromagnético.
En un artículo publicado en la revista Nature Photonics, el equipo de investigación describe cómo utilizaron una película de plata para generar plasmones superficiales al exponer la película a luz de baja energía. A medida que los plasmones se propagaban a través de la película de plata, aumentaron la absorción de luz por las moléculas de conversión ascendente en aproximadamente diez veces en comparación con configuraciones anteriores. Los investigadores señalan que este aumento en la absorción permitió incrementar la concentración de moléculas que habían absorbido la luz, reduciendo drásticamente la intensidad de luz necesaria para desencadenar la conversión ascendente. Los resultados experimentales demostraron que la técnica redujo la potencia necesaria para impulsar la reacción en 19 veces en comparación con un sistema no plasmónico.
Los investigadores utilizaron una configuración de laboratorio para llevar a cabo el experimento, pero también buscaron demostrar una aplicación práctica inmediata de la tecnología. Construyeron un diodo orgánico emisor de luz (OLED), un dispositivo comúnmente utilizado en pantallas portátiles, para probar el método y demostrar su viabilidad. Utilizaron la película plasmónica para generar luz azul y la combinaron con luz verde y roja de un OLED existente para generar luz blanca. Los OLED azules pueden ser difíciles de operar porque generar luz azul requiere alta energía y puede provocar inestabilidad. Con su demostración, los investigadores mostraron que la tecnología de película delgada puede servir como fuente de luz azul sin necesidad de una alta entrada de energía o materiales especiales.
Este trabajo no solo ha avanzado la tecnología de conversión ascendente, sino que también ha brindado una valiosa experiencia a cuatro estudiantes universitarios de Princeton: Kelvin Green, Amélie Lemay, Yiling Li y Tersoo Upaa. Green y Lemay se graduaron en 2024 con títulos en ingeniería civil y ambiental y completaron el Programa de Energía Sostenible en el Andlinger Center for Energy and the Environment. Li y Upaa son estudiantes de último año en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y de Computación y realizaron prácticas en el Andlinger Center.
Li comentó que el trabajo le dio la sensación de trabajar en un laboratorio a nivel de posgrado. Añadió que sus compañeros de investigación hicieron la experiencia “especialmente gratificante al animarme a hacer preguntas desafiantes y ayudarme a encontrar las respuestas a través de nuestra investigación”.
Para Upaa, el éxito del trabajo trajo consigo una nueva confianza. “Esta pasantía me hizo sentir mucho más cómodo investigando temas que aún no comprendo completamente”, afirmó.
Jesse Wisch, quien dirigió la experimentación en el laboratorio de Rand, fue el mentor de los estudiantes. Comentó que las preguntas de los estudiantes “me obligaron a profundizar mi propia comprensión del tema”.
El artículo señala que el trabajo futuro podría incluir mejoras en los OLED blancos a través del desarrollo de películas y estructuras ópticas de mayor rendimiento.
El artículo, Plasmon-enhanced ultralow-threshold solid-state triplet fusion upconversion, fue publicado el 24 de octubre en la revista Nature Photonics. Además de Rand, los autores incluyen a: Jesse Wisch, Kelvin Green, Amélie Lemay, Yiling Li, Tersoo Upaa Jr., Hui Taou Kok y Seamus Lowe, de la Universidad de Princeton; Evgeny Danilov y Felix Castellano de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, Raleigh. El proyecto contó con el apoyo parcial de BioLEC, un Energy Frontier Research Center financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. bajo el número de premio DE-SC0019370.
