Científicos logran ver el movimiento de los electrones

"Quería ver los electrones en el material. Quería ver los electrones moviéndose, no sólo para explicar su movimiento mediante la medición de un cambio de transmisión de la luz y la reflexión en el material", dice el profesor Keshav Dani, líder de la Unidad. El factor limitante para estudiar el movimiento de los electrones utilizando técnicas anteriores era que la instrumentación podía proporcionar una excelente resolución de tiempo o resolución espacial, pero no ambas.

El doctor Michael Man, estudiante postdoctoral en la Unidad del profesor Dani, combinó las técnicas de pulsos de luz UV y microscopía electrónica con el fin de ver electrones moviéndose en el interior de una célula solar. Si se ilumina con luz un material, la energía de la luz puede ser absorbida por los electrones y moverlos desde un estado de baja energía a otro superior. Si el pulso de luz que se irradia en el material es muy, muy corto, unas pocas millonésimas de una mil millonésima parte de un segundo --es decir unos femtosegundos_ se crea un cambio muy rápido en el material, pero no dura mucho tiempo, ya que el material vuelve a su estado original en una escala de tiempo muy rápida.

Para que un dispositivo funcione, como en una célula solar, tenemos que extraer energía a partir del material mientras que todavía está en el estado de alta energía. Los científicos quieren evaluar cómo cambian los materiales de estado y pierden energía. "En realidad, no se pueden ver estos electrones cambiando de estado en una escala de tiempo tan rápida. Por lo tanto, lo que se hace es medir la variación de la reflectividad del material", detalla Man.

VISUALIZACIÓN DEL FENÓMENO EN UN DISPOSITIVO SEMICONDUCTOR

Para entender cómo cambia el material cuando se expone a la luz, los investigadores expusieron el material a un muy corto, pero intenso pulso de luz que provocó el cambio y midieron el el cambio introducido por el primer pulso sondeando el material con los consiguientes pulsos de luz mucho más débiles a diferentes tiempos de retardo después del primer pulso.

A medida que el primer discreto haz de energía sin masa, o fotón, cambia el material, por ejemplo, calentándolo rápidamente, el reflejo de los fotones posteriores cambia. A medida que el material se enfría, el reflejo se remonta al original. Estas diferencias son, según los científicos, de la dinámica del fenómeno observado.

"El problema es que en realidad no se observa directamente la dinámica de electrones que genera los cambios: se mide la reflexión y después se intenta encontrar una explicación basada en la interpretación de los datos", detalla el profesor Dani. "Se crea un modelo que explica los resultados de su experimento. Pero en realidad no se ve lo que está sucediendo", añade.

El equipo del profesor Dani encontró una manera de visualizar este fenómeno en un dispositivo semiconductor. "Cuando el pulso choca con el material, saca algunos electrones, y usamos un microscopio electrónico que forma una imagen de dónde vienen los electrones desplazados. Si haces esto muchas veces, durante muchos fotones, puedes construir poco a poco una imagen de la distribución de los electrones en el material", dice Man.

Como resultado final, se obtiene una imagen de la localización de la mayoría de los electrones en el material en un intervalo de tiempo específico. Entonces, los investigadores cambiaron el retardo de tiempo entre los dos pulsos --el foto-excitador y el de sondeo-- y crearon otra imagen de la ubicación de los electrones.

Una vez que se crea una imagen, el pulso de sondeo se retrasa más, generando una serie de imágenes que describen las posiciones de los electrones en los tiempos posteriores después del pulso de foto-excitación. "Cuando se unen todas estas imágenes, finalmente se obtiene un vídeo --relata Dani--. Un vídeo de cómo los electrones se están moviendo en el material después de la excitación de la foto: ves los electrones alterarse y volver a su estado original".

"Hemos hecho un vídeo de un proceso muy fundamental: por primera vez no estamos imaginando lo que está sucediendo en el interior de una célula solar, en realidad lo estamos viendo. Ahora, podemos describir lo que vemos en este vídeo de un lapso de tiempo, ya no tenemos que interpretar los datos e imaginar lo que podría haber ocurrido dentro de un material. Ésta es una nueva puerta abierta para entender el movimiento de los electrones en los materiales semiconductores", dice Dani.

Esta investigación proporciona una nueva visión sobre el movimiento de los electrones que potencialmente podría cambiar la forma en la que se construyen las células solares y los dispositivos semiconductores. Esta nueva visión lleva el campo de la tecnología un paso más hacia la construcción de dispositivos electrónicos mejores y más eficientes.