ATRAPAR MOLÉCULAS ENTRE ESPEJOS NO CAMBIA NADA AQUÍ
Las células solares ordinarias desperdician en forma de calor parte de la energía de cada fotón. Una forma propuesta de sortear este límite es la fisión singlete: en ciertos materiales orgánicos, una excitación creada por la luz (un «singlete») se divide en dos excitaciones de menor energía («tripletes»). Si se pueden aprovechar ambas, un fotón da dos cargas en lugar de una.
La pega, según el artículo, es que la fisión es muy sensible a la estructura y el empaquetamiento de las moléculas, lo que exige mucho trabajo químico para optimizarla.
Mezclar luz y materia
Un atajo atractivo consiste en cambiar no las moléculas sino su entorno luminoso. Si se coloca una película delgada entre dos espejos muy próximos, la luz atrapada en su interior puede acoplarse tan fuertemente a las moléculas que estas forman estados híbridos de luz y materia, llamados polaritones. En teoría, estos podrían acelerar, ralentizar o redirigir procesos como la fisión sin tocar la química.
Los experimentos han sido contradictorios. Para una molécula, el TIPS-pentaceno, no se encontró ningún cambio. Para el rubreno, un estudio de 2019 con espejos de plata afirmó que la fisión quedaba suprimida. Los autores del nuevo artículo señalan un problema: los cambios publicados duraban picosegundos, mientras que la luz solo sobrevive alrededor de una décima de picosegundo entre espejos de plata con pérdidas. Y los propios espejos actúan como filtro sobre la luz de sondeo, creando artefactos que pueden parecer cambios en las moléculas.
Medir donde los espejos están ciegos
Jenny Clark (Universidad de Sheffield) y colegas de Sheffield, Oxford, Warwick y Bath construyeron cavidades con espejos dieléctricos, apilamientos de capas de sílice y dióxido de titanio que reflejan intensamente en el visible pero dejan pasar el infrarrojo cercano. Después siguieron la fisión en el infrarrojo cercano, en torno a 1.200 nanómetros, fuera de la banda que reflejan los espejos, donde la cavidad no puede distorsionar la señal. En una película desnuda, comprobaron que esta señal infrarroja sigue la fisión exactamente igual que la visible.
Compararon:
- una cavidad de baja calidad, donde la luz sobrevive unos 25 femtosegundos;
- una cavidad de alta calidad, donde sobrevive unos 330 femtosegundos;
- cavidades sintonizadas a distintas energías, de +20 a −110 milielectronvoltios, que cubren las condiciones del estudio anterior;
- una película desnuda y una «cavidad abierta» con solo el espejo inferior.
En todas las cavidades, la luz y las moléculas estaban claramente en el régimen de acoplamiento fuerte, con un desdoblamiento de unos 100 milielectronvoltios.
La misma fisión, en todas partes
En todos los casos, la fisión transcurrió prácticamente sin cambios. El mismo modelo con las mismas tasas describía la cavidad abierta y las dos cavidades en acoplamiento fuerte: el primer paso de la fisión se producía a 130 por nanosegundo en las tres. Cambiar la sintonización tampoco supuso ninguna diferencia.
El equipo sí observó pequeños cambios en los espectros, pero simulaciones ópticas detalladas los reprodujeron como efectos de interferencia en los espejos, no como una fotofísica alterada. Una tercera técnica independiente, la resonancia paramagnética electrónica resuelta en el tiempo, sondea los espines de los tripletes a través del magnetismo en lugar de la luz, y mostró la misma señal de tripletes con y sin cavidad.
Un detalle ilustra lo fácil que es equivocarse. La fisión era alrededor de un 20 % más rápida en las cavidades que en la película desnuda, pero igual de rápida en la cavidad abierta, que no tiene espejo superior ni acoplamiento fuerte. Los autores lo atribuyen al contacto con la capa de dióxido de titanio del espejo inferior.
Qué significa para la química en cavidades
Los resultados «arrojan dudas significativas» sobre el estudio anterior que afirmaba una fisión modificada por polaritones en el rubreno, escriben los autores, y concuerdan con el estudio del TIPS-pentaceno: el enorme reservorio de estados moleculares no acoplados domina la dinámica. Sugieren que los cambios anteriores probablemente procedían de artefactos ópticos, efectos de superficie o procesos de segundo orden en los que las excitaciones se destruyen entre sí, y que cualquier futura afirmación de química controlada por cavidades debería descartarlos primero. Sondear fuera de la banda de reflexión de los espejos, sostienen, es una forma sencilla de hacerlo.