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¿Qué tienen en común pantallas más brillantes, paneles solares y computadoras cuánticas? ¡Los puntos cuánticos! Descubre cómo estos diminutos cristales cambian de color según su tamaño y por qué su descubrimiento ganó el Nobel de Química 2023. Ven a entender la ciencia sin complicaciones y sorpréndete con sus aplicaciones.
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0:00 - Presentación del tema
1:01 - Qué son los puntos cuánticos
1:51 - Semiconductores y luminiscencia
9:30 - Confinamiento cuántico y color
15:25 - Pantallas QLED
18:33 - Puntos cuánticos en energía solar
22:19 - Aplicaciones cuánticas avanzadas
25:13 - Tecnología prometedora
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TecnologíaTranscripción
00:00¿Qué son los puntos cuánticos? ¿Cómo funcionan? ¿Para qué sirven? ¿Y por qué su descubrimiento
00:04fue galardonado con el premio Nobel en 2023? Vamos a analizar todo esto juntos en nuestro
00:10video de hoy. Y en el camino, tendremos que entender algunos conceptos increíblemente
00:15interesantes de la teoría de la electrónica de semiconductores, que ya he mencionado varias
00:19veces en nuestros videos anteriores, y siempre prometí hablar de ellos con más detalle,
00:23pero bueno, nunca encontraba el momento para hacerlo.
00:25Por cierto, quiero aprovechar la oportunidad para agradecer a los patrocinadores de nuestro
00:29canal, aquí en YouTube, así como en nuestras páginas de Patreon y Boosty. Amigos, es precisamente
00:34gracias a su apoyo que puedo dedicarle suficiente atención al canal y alegrarlos con nuevos
00:38videos tan seguido como sea posible. Y si a ustedes, mis queridos espectadores, les gusta
00:42lo que sucede en el canal y quieren que nuestro canal crezca y sea cada vez mejor, entonces
00:46les pido que se unan a los patrocinadores, el enlace y el código QR ahora deberían estar
00:51en su pantalla, también todos los enlaces necesarios estarán en la descripción del
00:55video. Una vez más, gracias a todos los que ya están ayudando al proyecto, así como
00:59a quienes decidan unirse a nuestros patrocinadores hoy.
01:02Y bueno, en esta nota optimista, vamos a pasar al tema principal de nuestro relato de hoy,
01:06los puntos cuánticos.
01:08Los puntos cuánticos son diminutos cristales, generalmente de entre 2 y 10 nanómetros de
01:13tamaño, hechos de materiales semiconductores como el arsenuro de indio, el sulfuro de plomo,
01:18el selenuro de cadmio y otros. En un solo cristal, puede haber desde varios cientos hasta
01:23varios cientos de miles de moléculas de estas sustancias.
01:26La principal característica de los puntos cuánticos es la siguiente, bajo la acción
01:30de la luz externa, ellos mismos comienzan a emitir luz, y la longitud de onda de la
01:34luz emitida es mayor cuanto más grande es el propio punto cuántico. Por ejemplo, los
01:39puntos cuánticos de aproximadamente 2 nanómetros brillan en azul, los de 3 a 4 nanómetros en
01:44verde y amarillo, y los de 5 a 6 nanómetros en rojo y naranja. Y ahora vamos a entender
01:49cómo sucede esto. Como ya mencioné, los puntos cuánticos clásicos son pequeños cristales
01:55de semiconductores, y antes de hablar de los puntos cuánticos, necesitamos recordar
01:59cómo están estructurados estos semiconductores a nivel atómico.
02:03Los conductores comunes, que generalmente son metales, se diferencian por el estado en el
02:08que se encuentran sus electrones, o más precisamente, los electrones de los orbitales externos de
02:13sus átomos. En los conductores, los electrones están débilmente ligados a los átomos,
02:17o más bien, están ligados, por así decirlo, a todos los átomos a la vez, o al menos a los
02:21átomos más cercanos en términos generales, son atraídos por ellos con aproximadamente la misma
02:26fuerza. Las fuerzas de atracción hacia diferentes átomos se compensan mutuamente, y los electrones
02:31pueden moverse por el metal prácticamente libres, estando en un estado de movimiento caótico,
02:35casi igual que los átomos o moléculas en los gases. Por eso, en física, a menudo se describe a
02:41estos electrones en los metales con el término gas electrónico. Es precisamente este gas electrónico
02:45el que se pone en movimiento bajo un campo electromagnético externo, permitiendo el
02:49transporte de carga, es decir, el flujo de corriente eléctrica. Por eso, a estos electrones
02:53libres, o más precisamente, cuasi libres, también se les llama electrones de conducción. En los
02:58dieléctricos, por el contrario, los electrones permanecen en estados ligados dentro del átomo
03:02y no pueden moverse a ningún lado. Por eso es que no existen portadores de carga libres en los
03:06dieléctricos, y estos materiales no conducen corriente, también se les llama aislantes. Los
03:11semiconductores combinan características tanto de conductores como de aislantes. A temperatura
03:16ambiente, parte de sus electrones se encuentran en estado libre, es decir, son electrones de
03:21conducción y parte están ligados en los átomos. Al darle energía de alguna manera a un electrón que
03:27se encuentra en estado ligado, se puede hacer que salga del átomo convirtiéndose en un electrón de
03:32conducción. Es decir, en el semiconductor hay simultáneamente tanto electrones ligados, o como
03:38también se les llama, electrones de valencia, como en los dieléctricos, así como electrones de
03:42conducción, como en los metales. Los electrones de valencia son literalmente electrones en los
03:47átomos, y los electrones en los átomos, como recordamos, sólo pueden tener niveles de energía
03:52concretos y discretos. Pero eso es en átomos individuales, por ejemplo en los gases, pero en
03:58los semiconductores, así como en otros sólidos e incluso en líquidos, los átomos no existen por separado,
04:03sino que están junto a muchos otros átomos, lo que altera la imagen habitual de los niveles
04:07electrónicos. Esto se debe al principio de exclusión de Pauli, que prohíbe que más de dos electrones
04:12estén en el mismo estado. Imaginemos dos átomos, supongamos que cada átomo tiene llena un orbital
04:19electrónico, es decir, en ella hay dos electrones. Mientras los átomos existen por separado, todo está
04:25bien para ellos, pero cuando se acercan lo suficiente como para que sus capas electrónicas
04:30comiencen a superponerse, esto deja de funcionar. Sus niveles energéticos se vuelven como compartidos,
04:37y cuatro electrones ya no pueden estar en el mismo nivel energético. Y aquí sucede algo muy
04:44curioso, el nivel energético se divide formando dos nuevos subniveles, con un poco más y un poco
04:51menos de energía que el original y los electrones se distribuyen entre ellos. Si acercas tres átomos,
04:57sus niveles originales se dividirán en tres, si son cuatro, en cuatro y así sucesivamente. En los
05:03sólidos hay muchísimos átomos, miles de millones, incluso en la partícula más diminuta, y por eso
05:08los niveles de energía de los átomos se dividen en millones y miles de millones de nuevos subniveles,
05:12que de hecho forman una banda continua. En realidad todavía son muchos niveles discretos,
05:17solo que la diferencia de energía entre ellos es insignificante y en general podemos considerarlos
05:22como una sola banda continua, como dicen los físicos, una zona energética. De manera similar ocurre
05:28con los electrones de conducción para transferir un electrón a la banda de conducción, es necesario
05:33darle cierta cantidad de energía cuyo valor depende del tipo de semiconductor y está determinado por
05:38el ancho de su llamada banda prohibida. Sin embargo, técnicamente podemos darle electrón aún más energía,
05:44y entonces en la escala de energía ocupará una posición más alta. En general, esta energía puede
05:49ser prácticamente cualquiera, y por eso en un semiconductor es posible la existencia de electrones
05:54de conducción con casi cualquier energía y cantidad de movimiento, siempre y cuando esa energía sea
05:59mayor que el límite inferior de la banda prohibida y menor que la energía que se necesita. Para que el
06:05electrón pueda salir completamente de semiconductor y escapar, necesita la llamada energía de salida.
06:12Así, en lugar de un conjunto discreto de niveles de energía al que estamos acostumbrados cuando hablamos
06:17de átomos individuales y de sustancias formadas por átomos individuales como los gases. En los
06:22semiconductores se forma la llamada estructura de bandas, el término banda. Aquí no significa
06:27una región espacial dentro del semiconductor, sino un rango de energías de los electrones. Los
06:31electrones con la menor energía se encuentran en la banda de valencia, los electrones con mayor
06:36energía se encuentran en la banda de conducción. Ambas bandas están separadas por la llamada banda
06:41prohibida, una banda en la que no es posible la existencia de electrones. El ancho de la banda
06:46prohibida se determina principalmente por la composición química de ese conductor en particular.
06:52Como ya mencionamos antes, se le puede dar a un electrón en la banda de valencia suficiente
06:56energía para que salte la banda prohibida y se encuentre en la banda de conducción. Al
07:01mismo tiempo, en la banda de valencia se forma una vacante no ocupada por un electrón que se
07:04comporta como una partícula cargada positivamente, llamada hueco. Después de estar un tiempo,
07:09normalmente del orden de nanosegundos, en la banda de conducción, el electrón realiza una
07:13transición inversa, salta a la banda de valencia ocupando el hueco y durante este proceso se libera
07:18energía igual al ancho energético de la banda prohibida. Si este ancho es lo suficientemente
07:22grande, entonces esta energía a menudo, aunque no siempre, se libera en forma de un fotón,
07:28un cuanto de radiación electromagnética, incluyendo la luz visible. Este es precisamente el
07:33efecto que se utiliza en los diodos emisores de luz. Ahí la transferencia de electrones de la banda
07:37de valencia a la banda de conducción se realiza gracias a la energía de un campo eléctrico externo y
07:42la energía de las transiciones inversas se libera en forma de cuantos de luz visible y el diodo
07:46emisor de luz, en consecuencia, brilla. Este no es el único método para hacer que los
07:50semiconductores emitan fotones. Por ejemplo, se puede disparar otro fotón al cristal semiconductur
07:55cuya energía supera la ancura de la banda prohibida. Uno de los electrones del cristal absorberá esta
08:00energía y pasará a la banda de conducción. Después de esto, el electrón irá desplazándose
08:05gradualmente hacia abajo en la escala energética hasta el borde inferior de la banda. La energía extra
08:09aquí se liberará en forma de energía de vibraciones de la red cristalina, básicamente en forma de calor.
08:15Estas transiciones se llaman no radiativas y ocurren muy rápido. Pero la transición
08:20radiativa ocurre ya desde el borde inferior de la banda prohibida y la cantidad de energía
08:24liberada como resultado de esta transición siempre es la misma para un semiconductor de
08:28este tipo y no depende de la longitud de onda de la luz incidente. Es decir, ¿podemos iniciar tales
08:34transiciones con radiación electromagnética de diferentes longitudes de onda, siempre y cuando
08:38la energía de los fotones sea mayor que la energía de la banda prohibida y al final obtendremos una emisión
08:43de un color muy específico? Este fenómeno se llama luminescencia. El ancho de la banda prohibida y por
08:49lo tanto el color de la luminescencia está determinado por la composición química de ese
08:53semiconductor. Es decir, si queremos obtener una emisión de un color u otro, necesitamos usar
08:57diferentes materiales semiconductores. Para la luminescencia roja, es decir, por ejemplo,
09:02para los diodos emisores de luz rojos se puede usar arsenuro de aluminio y galio o fosforseñuro
09:06de galio. Para el verde, nitruro de indio y galio. Para el azul, nitruro de galio y así sucesivamente.
09:11La especificidad de los puntos cuánticos consiste en que en ellos se pueden obtener diferentes colores
09:17de luminescencia, incluyendo los colores de emisión de los diodos emisores de luz sin cambiar la química
09:22del material, sino simplemente cambiando el tamaño del cristalito microscópico. Y esto es posible
09:27precisamente porque los cristalitos son muy, muy pequeños. Tan pequeños que el comportamiento de
09:32los electrones en ellos comienza a diferir significativamente del comportamiento de los
09:36electrones en grandes cristales macroscópicos de semiconductor. La idea es la siguiente. Los electrones
09:42en la banda de conducción de un cristal semiconductor, como ya dijimos, pueden moverse casi libremente
09:46por el cristal en todas las direcciones, a grandes distancias, en comparación con las escalas de las
09:50redes cristalinas. Sin embargo, en un cristal pequeño esto ya no es así. La libertad de los electrones
09:55está estrictamente limitada por los bordes del cristal, y los electrones no pueden traspasarlos.
10:00Y si en un cristal grande los electrones la mayor parte del tiempo se mueven en línea recta y
10:05uniformemente en uno microscópico, o más precisamente en un cristal nanoscópico de un punto cuántico,
10:10ellos cambian constantemente la dirección de su movimiento como si rebotaran en los bordes del
10:15cristal y se reflejaran hacia su interior, solo para que en un tiempo insignificante choquen con otro
10:21borde y reboten de él. Aquí, aquellos que han estudiado física cuántica probablemente ya
10:27adivinaron hacia dónde voy. Esta situación es extremadamente parecida al clásico problema
10:32cuántico mecánico de la partícula en una caja que se resuelve en cualquier curso universitario de
10:37mecánica cuántica. Este problema se formula así. Existe una partícula colocada en una caja con paredes
10:43completamente impenetrables y con una longitud de arista. L, la pregunta es ¿cómo se comportará la
10:48partícula en esa caja? Desde el punto de vista de la mecánica clásica, la respuesta es en general
10:53obvia. La partícula volará de una pared a otra, rebotando en ellas y realizando algo parecido a
10:57oscilaciones, cuyo periodo será igual a la relación entre la longitud de la arista L y la velocidad de
11:02la partícula. Sin embargo, si la caja es muy pequeña y la partícula muy ligera, tanto que todo esto debe
11:09considerarse según las leyes de la mecánica cuántica, entonces todo cambia. Correcta y estrictamente,
11:15el problema de la partícula en la caja se resuelve en el formalismo de la mecánica cuántica mediante
11:19la ecuación de Schrödinger. No todos mis espectadores aman las matemáticas, así que no
11:22voy a explicar esta solución en detalle. Además, se encuentra en cualquier libro de texto decente de
11:26mecánica cuántica. Simplemente voy a mostrar esta solución aquí, en una sola pantalla. Si a alguien le
11:30interesa, puede pausar el vídeo y verla con más detalle. Si lo explicamos sin matemáticas, de manera
11:35sencilla, esta es la misma solución al problema. Se puede obtener la solución al problema de la
11:40partícula en una caja si recordamos un principio clave de la mecánica cuántica, según el cual,
11:44el movimiento de un electrón se describe como la propagación en el espacio de la llamada,
11:48onda de densidad de probabilidad de encontrar una partícula en un determinado volumen del espacio.
11:53Al propagarse dentro de la caja, esta onda se reflejará sucesivamente en sus paredes e
11:57interferirá consigo misma en el proceso. Se forma una onda estacionaria que sólo será estable si los
12:03nodos de esta onda se encuentran en las paredes de la caja. O lo que es lo mismo, en la
12:07longitud de la
12:08caja cabe un número entero de medias longitudes de onda. Este es un resultado clásico que conocemos bien
12:14por la acústica y la óptica ondulatoria. Es decir, la longitud de onda de de Broglie de la
12:19partícula en la caja puede ser así, así o así, pero ondas como estas o estas no serán estables.
12:26La longitud de onda de de Broglie es completamente determinada por el momento lineal de la partícula
12:29según esta fórmula y el momento lineal determina la energía cinética según esta fórmula y de estas
12:34expresiones se puede obtener esta expresión para las energías posibles del electrón en la caja.
12:39Aquí h es la constante de Planck, m es la masa de la partícula, l es el tamaño de la
12:43caja y n es un
12:45número natural, 1, 2, 3, 4 y así sucesivamente. Es decir, en el modelo clásico, donde la partícula
12:51era simplemente una bolita sólida, dentro de la caja podía tener cualquier valor de energía cinética y
12:57momento lineal. Sin embargo, cuando hablamos de objetos cuántico-mecánicos que se propagan en el
13:02espacio como ondas, inmediatamente tenemos restricciones sobre los posibles valores de la
13:06energía cinética. Esta energía, como se ve, sólo puede tener ciertos valores dependiendo del número
13:12n. Además, cuanto más pequeña es la caja, mayor es la diferencia entre los valores permitidos para
13:17diferentes n. Para cajas muy grandes, el espectro resulta ser continuo, pero para cajas pequeñas
13:23aparece una separación en líneas espectrales. Están más separadas entre sí cuanto más pequeña es la
13:28caja en tamaño. Por cierto, ya hemos visto esta historia sobre la cuantización de los niveles de
13:33energía. Las sedes discretos son los niveles de energía del electrón en el átomo. Y esto no es
13:38sólo una coincidencia. Al igual que una partícula en una caja, los electrones en el átomo están en
13:42un estado ligado, en el sentido de que no pueden salir de cierta región. Y es precisamente esta
13:48restricción espacial la que genera el carácter discreto, la cuantización de los posibles niveles
13:53de energía, tanto para la partícula en la caja como para el electrón en el átomo. Pero también en
13:59nuestro punto cuántico, los electrones, como dijimos antes, también están localizados dentro
14:04de cierta región del espacio que ocupa ese mismo punto. Eso significa que ellos tampoco pueden
14:10tener cualquier valor de energía en un cristal muy pequeño de un semiconductor. Es decir, en un punto
14:16cuántico, las bandas de energía continuas también se dividen en niveles de energía discretos. Y cuanto
14:21más pequeño es el cristal, más fuerte es esta división. Y si en un cristal semiconductor grande,
14:28para que un electrón pase de la banda de valencia a la banda de conducción, se requería, digamos,
14:32una energía igual al ancho de la banda prohibida, en un punto cuántico de tamaño nanométrico. Esto
14:37ya no es así. Así, debido a la división de las bandas energéticas en niveles energéticos,
14:42la energía necesaria para el salto a la banda de conducción aumenta y, por lo tanto, también aumenta
14:47la energía que se libera durante la transición inversa. Básicamente, la energía del fotón, que se
14:52liberará durante la transición radiativa. Cuanto más pequeña es el punto cuántico, mayor es la diferencia
14:57de energías y mayor será la energía del fotón emitido. Y eso significa que su longitud de onda
15:03será menor y la luminescencia será más azul. Mientras más grande sea el cristal, menor será la
15:08brecha, menor la energía y mayor la longitud de onda del fotón emitido. Hasta que finalmente se iguale con
15:13el ancho de la banda prohibida y volvamos a la misma longitud de onda de la luminescencia que
15:17observamos en los cristales grandes del semiconductor. Así es como surge la dependencia del color de la
15:21luminescencia de los puntos cuánticos respecto a su tamaño. Ahora que entendemos cómo funcionan
15:27los puntos cuánticos, veamos en qué pueden sernos útiles. La primera y más obvia aplicación es
15:34reemplazar las pantallas OLED de diodos emisores de luz actuales por pantallas con diodos de puntos
15:39cuánticos OLED que prometen ofrecer una mejor calidad de imagen. Como mencionamos antes, los diodos
15:45emisores de luz clásicos emiten luz cuando los electrones saltan a través de la banda prohibida y la
15:49energía de los fotones corresponde al ancho de esa misma banda prohibida. El problema es que los
15:53saltos no siempre se realizan desde el fondo de la banda de conducción hasta la cima de la banda
15:57de valencia. Con cierta probabilidad, un electrón puede realizar una transición óptica estando dentro
16:02de la banda de conducción y aterrizar en algún lugar en medio de la banda de valencia. Es decir,
16:07obtendremos una transición con una energía más alta. Como resultado, un LED convencional no emite luz
16:13de una sola longitud de onda, sino de un rango de longitudes de onda de varias decenas de nanómetros de
16:18ancho. Como resultado, el color no es puramente rojo, sino que se ve un poco sucio. Con los puntos
16:24cuánticos no existe ese problema. Ellos no tienen bandas, sino que tienen niveles discretos. Hablando
16:30en términos simples, un LED común es como una escalera. Desde cualquier peldaño puedes intentar
16:34saltar hacia abajo, mientras que un punto cuántico es como una plataforma de clavados. Lo más genial es
16:39que la altura de esa plataforma y por lo tanto la longitud de onda de la luz emitida se puede
16:45ajustar a tu gusto
16:46simplemente cambiando el tamaño del punto cuántico. En conjunto, esto permite crear colores de imagen
16:52más puros y naturales que generará nuestro monitor. Actualmente ya se pueden comprar pantallas
16:57QLED en la tienda, sin embargo, todavía no son completamente QLED, sino un esquema híbrido donde
17:02los puntos cuánticos se usan en combinación con LEDs convencionales. La idea es la siguiente. Cada
17:07píxel consta de tres subpíxeles, píxeles compuestos por un LED y una capa de puntos cuánticos,
17:12cuyos tamaños se seleccionan de tal manera que su luminescencia produzca colores rojo,
17:17azul y verde. El LED puede emitir, por ejemplo, radiación ultravioleta, que es invisible para
17:21el ojo, pero activa la luminescencia de los puntos cuánticos. Si encendemos el LED que está detrás de
17:26la capa de puntos rojos, obtenemos un color rojo puro en todo el píxel. Si al mismo tiempo iluminamos
17:31también los puntos verdes, obtenemos el color amarillo, y así sucesivamente. Debido al efecto
17:35destructivo de la radiación ultravioleta en muchos materiales, hoy en día generalmente se utiliza
17:39otro esquema, en lugar de este, los LEDs de retroiluminación no son ultravioleta,
17:43sino de un azul brillante. Y en el subpíxel azul, la capa luminescente de puntos cuánticos está
17:47ausente, los colores resultan menos puros, pero toda la construcción es más duradera y consume
17:53menos energía. Una forma alternativa es hacer que los puntos brillen por sí mismos mediante
17:58luminescencia bajo la acción de una corriente eléctrica. Básicamente es lo mismo que hacemos
18:02para que brillen los diodos emisores de luz, pero en este caso los diodos estarán hechos no de un
18:07solo cristal grande sino de muchos puntos cuánticos. Esto parece una solución ideal,
18:11sin embargo, hasta ahora no ha sido posible implementar la tecnología en la práctica.
18:15Las corrientes eléctricas resultan capaces de destruir los puntos cuánticos y provocar en
18:19ellas otros efectos negativos que afectan la reproducción del color y disminuyen el brillo.
18:23Estos problemas no son fundamentalmente irresolubles, pero por ahora los monitores
18:28QLED, puros basados en electroluminiscencia, existen solo como prototipos de laboratorio.
18:33Los puntos cuánticos tienen muchas otras aplicaciones impresionantes, por ejemplo en
18:37la energía solar. Sobre los paneles solares, ya tuvimos un video extenso dedicado al tema donde
18:41analizamos en detalle la física de su funcionamiento. Aquí solo mencionaremos lo más básico,
18:45una celda fotovoltaica en esencia como un sándwich de dos semiconductores de tipo N,
18:51en los que los portadores de carga dominantes son los electrones y semiconductores de tipo P,
18:55en los que dominan los huecos vacantes para electrones en la banda de conducción.
18:59En la frontera de estos semiconductores se forma una zona de botamiento donde los electrones y los
19:03huecos se recombinan, es decir, los electrones regresan a la banda de valencia. Y también se
19:07forma un campo eléctrico interno que está dirigido desde el semiconductor de tipo N hacia
19:11el semiconductor de tipo P. Cuando las ondas de luz inciden sobre el sándwich pueden afectar el
19:17material del semiconductor, iniciando la transición de electrones de la banda de valencia a la banda de
19:21conducción, y en su lugar en la banda de valencia se forman huecos. El campo eléctrico interno empuja a
19:26los portadores de carga en diferentes direcciones, los electrones con carga negativa hacia la región
19:31N y los huecos con carga positiva hacia la región P. Ahí se acumulan respectivamente la carga negativa
19:37y la carga positiva. Y si ahora conectamos los extremos del sándwich con un conductor común,
19:42los electrones de la región N fluirán hacia la región P, se generará una corriente eléctrica cuya
19:47energía podremos utilizar. En ese mismo video sobre paneles solares, también hablamos sobre el problema
19:53clave de estos dispositivos hoy en día. Su eficiencia para convertir la energía solar en
19:57electricidad está limitada, y esa limitación es fundamental. En esencia, las celdas fotoeléctricas
20:03modernas tienen una alta eficiencia solo en un rango muy estrecho de frecuencias de la luz incidente,
20:08es decir, aquellas para las cuales la energía del fotón es aproximadamente igual al ancho de la
20:12banda prohibida. Si la energía del fotón es menor que esa energía, entonces no podrá hacer que el
20:17electrón pase a la banda de conducción y cree un paraelectrón hueco. En física, a esto también se le llama
20:22un exitón, pero los fotones con energías demasiado altas tampoco funcionan de manera muy eficiente.
20:27Si crean un exitón, pero lanzan el electrón demasiado alto en la banda prohibida, y desde
20:31ahí gradualmente desciende por la escalera de transiciones energéticas, perdiendo una parte
20:35significativa de la energía en forma de calor, sin ningún beneficio. En otras palabras, en las celdas
20:40fotoeléctricas, la energía de los fotones de alta energía se utiliza de manera ineficiente,
20:44que los generan exactamente el mismo paraelectrón hueco que los fotones de baja energía,
20:48aunque potencialmente podrían hacer más. Y si reemplazamos el cristal macroscópico del
20:53semiconductor por una multitud de puntos cuánticos, entonces ese potencial puede realizarse en un
20:59punto cuántico. Un fotón de alta energía no puede simplemente lanzar un electrón a la parte superior
21:04de la banda de conducción, porque ahí ya no hay una banda de conducción, sino niveles de energía
21:08separados, y no es un hecho que la energía del fotón sea tal que pueda trasladar el electrón a uno
21:13de
21:13esos niveles. Pero esa energía puede ser suficiente para trasladar a la parte inferior de la banda de
21:18conducción a dos o incluso tres o más electrones al mismo tiempo. Esto es lo que se llama generación
21:24multiexitónica, que permite a los puntos cuánticos aprovechar la energía de los fotones de alta
21:29energía de manera más racional en términos de producción de electricidad. Además, la energía de
21:35transición se puede ajustar manualmente adaptándola a una u otra longitud de onda o a un conjunto de
21:40longitudes de onda de la luz incidente cubriendo de manera eficiente todo su espectro. Claro,
21:45para esto todavía hay que idear cómo extraer de manera eficiente los electrones y huecos del
21:49punto cuántico antes de que recombine, y en la solución de este problema es en lo que están
21:53trabajando ahora los científicos e ingenieros. Vale la pena intentarlo. Según los cálculos más
21:58conservadores, los paneles solares de puntos cuánticos con generación multiexitónica podrán
22:02convertir en electricidad alrededor del 45% de la energía del flujo de luz incidente frente al 20%
22:08actual, aumentando la eficiencia de los paneles solares a más del doble. Y algunos científicos
22:12creen que la eficiencia de conversión podría llegar incluso al 80%, es decir, la eficiencia
22:17de los paneles solares se cuadruplicaría. Quizá la propiedad más sorprendente de los puntos
22:22cuánticos es que demuestran comportamiento cuántico mecánico, niveles de energía discretos y cosas por
22:27el estilo, incluso teniendo un tamaño bastante considerable. Sí, claro, siguen siendo muy pequeños,
22:32pero aún así son varios órdenes de magnitud más grandes que los átomos, lo que significa que es mucho
22:36más fácil trabajar con ellos, es más fácil observarlos y son mucho más resistentes a
22:40perturbaciones externas aleatorias. Esto permite utilizar los puntos cuánticos en los llamados
22:44simuladores cuánticos, donde los científicos intentan estudiar el comportamiento de sistemas
22:48cuántico mecánicos en sus análogos que, aunque son microscópicos, aún pueden ser observados por
22:53medios convencionales. Además, por esa misma razón, los puntos cuánticos son materiales a partir de los
22:58cuales se pueden crear qubits, esos elementos clave de las computadoras cuánticas. Los puntos cuánticos
23:05también pueden ser útiles para el internet cuántico gracias a su capacidad para la llamada generación
23:10de un solo fotón. Un punto cuántico emite un solo fotón a la vez. Para ser más precisos,
23:17los puntos cuánticos solo permiten la generación de un solo fotón en un modo específico. Para esto,
23:22se enfrían a temperaturas ultra bajas y luego se bombardean con pulsos láser cortos cuya longitud
23:26de onda es cercana al ancho de la transición óptica. Y, como respuesta a cada pulso, el punto
23:32cuántico emite un solo fotón. La idea es la siguiente. A temperaturas ultra bajas en el punto
23:39cuántico, como en cualquier semiconductor, no hay electrones en la banda de conducción,
23:42todos están en la banda de valencia. Y la transición a la banda de conducción solo puede
23:46ocurrir bajo la influencia de un estímulo externo, en nuestro caso de los fotones entrantes,
23:51de un pulso láser. Por muy corto que sea ese pulso, contiene muchos fotones, pero el punto es que el
23:56punto cuántico absorbe solo uno de ellos. El asunto es que la absorción de ese fotón y la
24:03transferencia de uno de los electrones a la banda de conducción, formando un par electrón hueco,
24:07afecta la estructura de los niveles energéticos del punto cuántico. Se trata de la interacción
24:11colombiana habitual entre los portadores de carga. Los electrones se repelen entre sí,
24:16los huecos se repelen entre sí, lo que significa que la aparición de un segundo para electrón hueco
24:20requerirá más energía que la aparición del primero. Y nuestro láser está ajustado precisamente para
24:26la transición óptica antes de la aparición del primer par y después de que aparece la energía
24:30de los fotones incidentes para nuevas transiciones, ya no es suficiente. El punto cuántico deja de
24:35responder a los fotones incidentes hasta que el primer electrón regresa a la banda de valencia
24:39emitiendo ese mismo fotón único. Y si el tiempo del pulso láser es del orden del tiempo de vida del
24:44electrón en la banda de conducción, les recuerdo, normalmente son nanosegundos, entonces obtendremos
24:50esa misma generación de un solo fotón. Los puntos cuánticos no son la única forma conocida por la
24:55ciencia de obtener fotones individuales, pero probablemente sí la más simple y eficiente. Y los
25:00fotones individuales no son muy necesarios, y no solo en diferentes experimentos científicos,
25:04sino también para resolver ciertas tareas prácticas, por ejemplo, para la transmisión cuántica de datos
25:08y el cifrado cuántico. Hablamos de estos temas con más detalle en un vídeo aparte. Y aunque la lista
25:14anterior de posibles usos de los puntos cuánticos está lejos de ser completa, creo que ya debe quedar
25:18claro que es una tecnología muy muy útil y prometedora. En nuestros próximos vídeos continuaremos
25:23explorando fenómenos físicos curiosos y entretenidos del mundo que nos rodea,
25:27entendiendo su naturaleza y las leyes que influyen en su desarrollo, así como la manera en que
25:32científicos e ingenieros intentan encontrarles aplicaciones prácticas, a veces muy inesperadas.
25:36Bueno, eso es todo por hoy. Les deseo lo mejor, queridos amigos, y hasta pronto en nuestros próximos vídeos.