Cuando la luz incide en la materia: investigadores de Kaiserslautern visualizan la eficiencia del excitamiento óptico en sólidos

Estimulación óptica en el sólido con posterior interferencia de los electrones fotoemitidos. A continuación se muestran los orbitales, cuya orientación respecto a las posiciones atómicas (pequeñas esferas blancas) es responsable de la orientación de los momentos dipolares de transición. Las curvas ilustran las excitaciones ópticas incidentes desde arriba mediante dos pulsos cruzados. Sobre ellas se presenta la forma de la señal de medición experimental esperada. (Foto: Nature Communications)

La interacción de la luz y la materia hace posible, por ejemplo, que las plantas realicen fotosíntesis y que las células solares generen electricidad. La eficiencia de la absorción de luz en la materia se determina a escala microscópica por los llamados momentos dipolares de transición. El grupo de trabajo del Prof. Dr. Martin Aeschlimann y del Dr. Benjamin Stadtmüller en la TU Kaiserslautern (TUK) ha desarrollado un método para hacer visible la orientación de estos momentos dipolares en sólidos. Se basa en la superposición coherente de electrones que un sólido emite mediante fotoemisión al ser excitado ópticamente. La revista especializada "Nature Communications" ha publicado los resultados.

¿Qué tan eficiente puede interactuar la luz con la materia? La respuesta a esta pregunta está en dos propiedades de la luz incidente: su color (longitud de onda) y su ángulo de incidencia en la superficie del material. Cuando la luz incide en un ángulo desfavorable sobre el material, solo una pequeña parte se absorbe. Es decir, la luz apenas puede transferir su energía al sólido. Por otro lado, existen direcciones de incidencia en las que se produce una absorción de luz extremadamente eficiente en el material. Esta dependencia direccional de la absorción de luz se describe a escala microscópica mediante los mencionados momentos dipolares de transición. Estos reflejan las simetrías de los estados electrónicos de la materia y, por tanto, también están determinados por su estructura.

En moléculas de colorantes, como las que se utilizan en la fotosíntesis, la orientación de los momentos dipolares ópticos de transición y la correspondiente absorción de luz dependiente del ángulo están casi completamente entendidas. Cuando estas moléculas tienen una simetría estructural especialmente pronunciada, por ejemplo, mediante una cadena de anillos de carbono, el momento dipolar se orienta a lo largo o perpendicular a ese eje de simetría. Si el campo eléctrico de la luz está paralelo a los momentos dipolares, se absorbe de manera eficiente.

En los sistemas sólidos metálicos o semiconductores, utilizados para la generación de energía en la fotovoltaica, no se puede aplicar esta lógica intuitiva. La razón es que en estos sistemas muchos estados electrónicos se superponen.

Los investigadores de Kaiserslautern han superado este desafío. Para ello, analizaron la excitación óptica en una superficie de plata mediante electrones emitidos por fotoemisión. Lo especial del nuevo enfoque es la configuración experimental: en lugar de utilizar dos pulsos de luz idénticos, los científicos emplean una secuencia de dos pulsos con campos eléctricos perpendiculares entre sí, "cruzados". "Gracias a esta disposición especial de los campos eléctricos de la luz, pudimos crear un sensor óptico muy sensible para la orientación de los momentos dipolares en los materiales", explica Tobias Eul, autor principal del estudio. "La orientación de los momentos dipolares puede determinarse en mayor o menor medida a partir de la intensidad de la señal de medición para diferentes orientaciones de los pulsos láser cruzados respecto a la superficie de la muestra." La universalidad de este método fue confirmada adicionalmente mediante simulaciones numéricas exhaustivas.

En el marco de su experimento, los investigadores hicieron visibles los momentos dipolares de transición de dos canales de excitación óptica diferentes en la superficie de plata. También pudieron deducir conclusiones sobre la superposición de los estados electrónicos en el volumen del sólido de plata. Su método y las consideraciones teóricas subyacentes pueden aplicarse en general a sistemas sólidos. Por lo tanto, en el futuro será posible obtener más conocimientos sobre las relaciones entre las simetrías de la estructura de la materia y la eficiencia de la excitación óptica.

Los trabajos de este estudio se llevaron a cabo en el marco del área de investigación especial Spin+X ("Spin en su entorno colectivo"), en la que la TUK, en colaboración con la Universidad Johannes Gutenberg de Mainz, recibe financiación de la Deutsche Forschungsgemeinschaft. Los resultados de las mediciones y simulaciones, así como una descripción de la configuración experimental, han sido publicados en la prestigiosa revista "Nature Communications": "Respuesta coherente del sistema electrónico impulsada por pulsos láser no interferentes"; Tobias Eul, Eva Prinz, Michael Hartelt, Benjamin Frisch, Martin Aeschlimann y Benjamin Stadtmüller.

El artículo en inglés está disponible de forma gratuita: doi.org/10.1038/s41467-022-30768-9

Preguntas respondidas por:
Dr. Benjamin Stadtmüller
Departamento de Fenómenos ultrarrápidos en superficies / TU Kaiserslautern
Tel.: 0631 205-2817
Correo electrónico: bstadtmueller@physik.uni-kl.de