Nuevas investigaciones introducen una forma sin contacto de ver cómo los materiales de imagen elástica responden de forma diferente a la luz polarizada circularmente, sin antes integrarlos en un dispositivo electrónico completo. El enfoque podría, en última instancia, ayudar a los investigadores a desarrollar nuevos materiales de imagen especular para tecnologías que utilizan luz polarizada circularmente, carga eléctrica y espín de electrones.
Imagina dos materiales casi idénticos uno al lado del otro. Son imágenes espejo la una de la otra, muy parecidas a tus manos izquierda y derecha. Si les iluminas con luz normal, parecen muy parecidos. Pero si iluminas una que se retuerce en una dirección, un material responde con más fuerza. Gira la luz en sentido contrario y su compañero en imagen reflejada toma la iniciativa.
Esa es la historia detrás de un nuevo estudio de investigadores del Instituto de Química y del Centro de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Hebrea de Jerusalem.
Dirigidos por la Dra. Joanna Dehnel y el Prof. Igal Levine investigó los perovskitas quirales 2D, materiales que se presentan en dos formas de imagen elucidada, muy parecidas a una mano izquierda y una derecha.
Los investigadores querían saber qué ocurriría con el flujo de electrones cuando estos materiales de imagen especular interactuaban con la luz polarizada circularmente, luz cuyo campo eléctrico gira mientras viaja.
Pero había un problema.
¿Cómo se miden las propiedades electrónicas intrínsecas de un material sin cambiarlas?
Los científicos normalmente estudian el comportamiento eléctrico de un material convirtiéndolo en un dispositivo y conectando contactos eléctricos. Pero esos contactos pueden introducir defectos y otros efectos que pueden oscurecer la respuesta eléctrica intrínseca del material, o dificultar saber si la señal proviene del propio material o del dispositivo construido a su alrededor.
El equipo adoptó un enfoque diferente.
Introdujeron una técnica llamada fotovoltaje superficial con resolución temporal polarizada circularmente, o CP-TRSPV. En lugar de requerir un dispositivo completo, el método permite a los investigadores observar cómo se separan las cargas eléctricas dentro del material sin añadir un contacto eléctrico superior. También puede seguir lo que ocurre en un rango de tiempo inusualmente amplio, desde nanosegundos hasta milisegundos.
Piénsalo como escuchar lo que el material tiene que decir antes de conectarlo a un dispositivo.
Y el material tenía toda una historia que contar.
Los materiales de imagen especular preferían tipos opuestos de luz
Cuando los investigadores cambiaron entre luz polarizada circularmente a la derecha e izquierda, los dos materiales de imagen especular respondieron de formas opuestas.
La R-forma respondía con mayor fuerza a la luz polarizada circularmente a la derecha, mientras que la forma S respondía con mayor fuerza a la luz polarizada circularmente a la izquierda.
Como comparación importante, una muestra racémica, una mezcla sin preferencia general de imagen especular, no mostró diferencias significativas entre los dos tipos de luz.
El resultado sugería que la propia estructura quiral del cristal era responsable del efecto.
Aún más sorprendente fue el tamaño de la respuesta eléctrica.
Los investigadores midieron un factor de anisotropía de fotovoltaje, llamado gSPV, de hasta −0,7 en el material R y 0,17 en el material S. La diferencia eléctrica era aproximadamente 1.000 veces mayor que la diferencia observada simplemente en cómo los materiales absorbían los dos tipos de luz polarizada circularmente.
Eso significaba que ocurría algo más interesante que simplemente un material absorbiendo más luz.
El cristal actúa como un filtro para los electrones
Los resultados son consistentes con un efecto conocido como selectividad de espín inducida por quiral, o CISS.
Los electrones tienen una propiedad cuántica llamada espín. En estos materiales quirales, la estructura cristalina puede favorecer electrones con una orientación de espín sobre otra. En términos sencillos, el material puede comportarse de forma similar a un filtro microscópico, permitiendo que ciertos electrones se muevan o se separen de forma más eficiente que otros.
Los investigadores también pudieron observar cómo se desarrollaba la respuesta eléctrica a lo largo del tiempo.
El proceso inicial relacionado con el centrifugado ocurre extremadamente rápido. Pero la diferencia que crea en el número de cargas eléctricas separadas puede mantenerse mucho más tiempo, desde nanosegundos hasta el rango de milisegundos. Los investigadores insisten en que esto no significa que los propios espíns electrónicos sobrevivan milisegundos. En cambio, el filtrado inicial crea diferentes poblaciones de cargas separadas, y esa diferencia permanece visible a medida que las cargas luego quedan atrapadas, liberadas o se recombinan.
Un camino más rápido hacia las tecnologías futuras
La novedosa metodología podría ayudar a los científicos a comprender mejor los materiales que se están explorando para la espintrónica y la optoelectrónica, tecnologías que utilizan no solo carga eléctrica y luz, sino también el espín del electrón.
Las perovskitas quirales son especialmente interesantes porque su estructura puede ayudar a controlar la carga y el giro sin requerir un campo magnético externo. Las aplicaciones potenciales incluyen detectores de luz polarizada circularmente, electrónica basada en espín y otros dispositivos que responden de forma diferente a distintas formas de luz polarizada.
El nuevo método de medición también podría acelerar la búsqueda de materiales útiles.
En lugar de construir un dispositivo electrónico completo cada vez que los científicos crean un nuevo material quiral, los investigadores podrían primero utilizar la técnica sin contacto para probar la intensidad de la respuesta del material, de forma rápida que también puede extenderse a estudios de alto nivel. Los autores afirman que el enfoque podría extenderse potencialmente a muchos materiales quirales y composiciones químicas diferentes.
El estudio convierte un efecto cuántico difícil de observar en una señal eléctrica que los investigadores pueden seguir a lo largo del tiempo.
El trabajo de investigación “Contactless Detection of Giant Helicity-Dependent Photovoltage in Chiral 2D Perovskites”, se encuentra disponible en Small.
