Creación de un grafeno fotónico
Muy pocos avances en física y ciencia de materiales han despertado tanto interés como el grafeno, cuyo descubrimiento en 2004 otorgó a sus “padres”, los investigadores Andre Geim y Konstantin Novoselov de la Universidad de Mánchester, el Premio Nobel de Física en 2010. Esta reputación está bien merecida: compuesto por átomos de carbono puro (al igual que los diamantes y el grafito), el grafeno es considerado el material más ligero, fuerte, delgado, transparente y conductor jamás encontrado. Algunos incluso prevén que podría reemplazar a los plásticos, al acero e incluso al silicio como la estrella de todas las aplicaciones posibles e imaginadas del siglo XXI.
Sin embargo, no fue el uso directo del grafeno lo que motivó a Jorge Bravo, joven investigador con doctorado en Física por la Universidad Autónoma de Madrid (2006) y cuatro años de investigación posdoctoral en el MIT (Massachusetts Institute of Technology), a fijarse en las propiedades del grafeno. El campo de Bravo es la fotónica, el estudio de la luz y el desarrollo de dispositivos basados en ella, como LEDs, láseres o fibras ópticas. A través de su investigación, desarrolló un “equivalente fotónico” del grafeno, con las mismas propiedades de propagación: si los electrones se mueven libremente en un plano bidimensional de grafeno (que es una capa plana de átomos de carbono de un solo átomo de grosor), dando lugar a sus características superconductoras, los fotones también se moverían libremente en los LEDs de alta eficiencia de Bravo. Iluminar grandes áreas con solo una fracción de la energía que usamos hoy en día es precisamente lo que permite la nueva tecnología de LED patentada por él.
Otra característica “similar al grafeno” que interesaba especialmente a Bravo es la capacidad de almacenar y transportar energía solar, algo que hoy en día es muy costoso y que podría revolucionarse con el material innovador ideado por él y su equipo.
Para lograrlo, Bravo se basó en un fenómeno físico conocido como dispersión de Dirac. “Muchas de las propiedades electrónicas únicas del grafeno surgen de su espectro energético electrónico tipo Dirac. De forma similar, se esperaba que un sistema nanofotónico con dispersión de Dirac abriera nuevas vías de investigación”, explica. Bravo y su equipo de investigación lograron este efecto diseñando y produciendo un material en capas donde una capa de germanio (un material semiconductor similar al silicio) queda atrapada entre dos capas de silicio amorfo, que bloquean cualquier propagación óptica que no sea a lo largo del plano bidimensional. Todas las capas presentan una estructura de agujeros hexagonales que es la responsable de la dispersión de Dirac, lo cual tiene un impacto fundamental, ya que “permite la presencia de un único estado de acoplamiento que la luz puede asumir, incluso en una gran área”.
Si los fotones tienen un solo estado, no interfieren (no se acoplan) entre sí, y la energía puede viajar largas distancias sin pérdida alguna. Esto abre la puerta a una forma increíblemente eficaz de almacenar energía, ya que la luz solar (que contiene un amplio espectro de longitudes de onda) puede utilizarse para generar luz extremadamente coherente, que a su vez puede almacenarse mediante reacciones fotoquímicas y volver a transformarse en luz cuando sea necesario —algo imposible de hacer eficientemente con luz incoherente. Otra prometedora aplicación del “grafeno fotónico” de Bravo.