Polarones: por primera vez físicos observan esta fugaz cuasipartícula

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Polarones: por primera vez físicos observan esta fugaz cuasipartícula

Los polarones son cuasipartículas asociadas a un electrón en movimiento y a las distorsiones en la red atómica de un material que este genera. Una de sus características principales es su fugacidad: tienen un tiempo de vida de solo unas pocas billonésimas de segundo. Pese a este gran obstáculo, ahora, con ayuda de un láser de rayos X, por primera vez, un equipo de científicos ha observado y medido directamente la formación de polarones. 

El presente trabajo, además, podría ayudar a entender mejor la razón por la que las celdas solares fabricadas con perovskitas híbridas de plomo logran eficiencias extraordinariamente altas en el laboratorio. 

El estudio, realizado por científicos del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, fue publicado en Nature Materials. 

Celdas solares con perovskitas

Las perovskitas son materiales cristalinos que llevan el nombre del mineral perovskita, el cual tiene una estructura atómica similar al titanato de calcio. Los científicos empezaron a incorporarlos a las celdas solares hace casi una década, aumentando su eficiencia para convertir luz solar en energía eléctrica.

Sin embargo, estos materiales son famosos por su complejidad y dificultad para comprender. Si bien son bastante eficientes y fáciles de fabricar, son altamente inestables. No solo se descomponen cuando se exponen al aire, sino que expulsan plomo, el cual debe mantenerse fuera del medio ambiente. 

«Estos materiales han revolucionado el campo de la investigación de la energía solar debido a su alta eficiencia y bajo costo, pero la gente todavía discute por qué funcionan«, dijo Aaron Lindenberg. 

«La idea de que los polarones pueden estar involucrados ha existido durante varios años«, dijo. «Pero nuestros experimentos son los primeros en observar directamente la formación de estas distorsiones locales, incluido su tamaño, forma y cómo evolucionan».

Polarones

En ese sentido, para encontrar los polarones, los científicos utilizaron un láser de rayos X de electrones libres llamado Linac Coherent Light Source (LCLS). Este es capaz de obtener imágenes de materiales en las escalas más pequeñas y en tiempos de hasta una billonésima de segundo.

Cuando pones una carga en un material al golpearlo con luz, como sucede en una celda solar, se liberan electrones y esos electrones libres comienzan a moverse alrededor del material”, dice el físico Burak Guzelturk.

“Pronto están rodeados y engullidos por una especie de burbuja de distorsión local, el polarón, que viaja junto con ellos”, agregó. “Algunas personas han argumentado que esta burbuja protege a los electrones de la dispersión de los defectos en el material y ayuda a explicar por qué viajan tan eficientemente al contacto de la celda solar para fluir como electricidad”.

La estructura de la perovskita es flexible y suave, como «una extraña combinación de un sólido y un líquido al mismo tiempo», como dice Lindenberg. Esto es lo que permite que los polarones se formen y crezcan.

Así, las observaciones revelaron que las distorsiones polarónicas comienzan muy pequeñas, en la escala de unos pocos angstroms, alrededor del espacio entre átomos de un sólido. Estos se expanden rápidamente hacia afuera en todas las direcciones en un diámetro de 5.000 millonésimas de metro aproximadamente. Esto empuja ligeramente alrededor de 10 capas de átomos  hacia afuera dentro de un tiempo de una billonésima de segundo.

Como muestra esta animación, las distorsiones polarónicas comienzan muy pequeñas y se expanden rápidamente hacia afuera en todas direcciones. (Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

«Esta distorsión es en realidad bastante grande, algo que no habíamos sabido antes«, dijo Lindenberg. «Eso es algo totalmente inesperado«.

Sin embargo, a pesar de que lograron observar cómo nace y se expande un polarón, todavía no se sabe cómo afectan la eficiencia de una celda solar. “Aún queda trabajo por hacer para comprender cómo estos procesos afectan las propiedades de estos materiales”, añadió Leindenberg.

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