Los científicos de la EPFL han desarrollado una nueva técnica que permite a los investigadores observar, con una sensibilidad sin precedentes, cómo los materiales emiten luz polarizada a lo largo del tiempo.
La luz no es solo brillante o tenue, coloreada o simple. Sus ondas también pueden girar y rotar, en un fenómeno llamado polarización. Piensa en las gafas que usas para ver una película en 3D, que usan la polarización de la luz para que cada ojo vea una imagen ligeramente diferente, creando la ilusión de profundidad.
La polarización es clave para las tecnologías futuras, desde las computadoras cuánticas hasta las comunicaciones seguras y las pantallas holográficas. Muchos materiales emiten luz de maneras que codifican la información en su polarización, como si utilizáramos la dirección de las ondas de luz para enviar un mensaje. Entre estos fenómenos se encuentra la luminiscencia polarizada circular (CPL), un tipo especial de emisión de luz producida por materiales quirales donde las ondas de luz se desplazan en espiral, ya sea a la izquierda o a la derecha.
Superar las limitaciones de las técnicas tradicionales
Para descubrir nuevas aplicaciones, los investigadores necesitan observar con precisión cómo evoluciona esta polarización con el tiempo. Sin embargo, hasta ahora, los científicos han tenido que hacer concesiones, ya que los métodos existentes exigen un equilibrio entre velocidad, sensibilidad o una amplia gama de colores.
Las técnicas CPL estándar suelen ser lentas, de enfoque estrecho o incapaces de captar señales débiles, especialmente al estudiar materiales avanzados con efectos de polarización fugaces o sutiles. Estas limitaciones han ralentizado la búsqueda de una comprensión completa de cómo los materiales quirales (de polarización directa) interactúan con la luz.
Ahora, un equipo dirigido por el profesor Sascha Feldmann en el Laboratorio de Materiales Energéticos de la EPFL ha desarrollado una técnica espectroscópica de banda ancha, de alta sensibilidad y resolución temporal que captura el conjunto completo de estados de polarización (el llamado «vector de Stokes»).
La nueva técnica realiza esto en una amplia ventana espectral (400-900 nanómetros) y en intervalos de tiempo que van desde nanosegundos hasta varios milisegundos, todo con un umbral de ruido de tan solo una diezmilésima parte de la intensidad de la luz polarizada emitida por un material. La nueva técnica también captura señales de polarización lineal y circular simultáneamente, lo que ayuda a identificar y corregir artefactos de polarización que a menudo dificultan el uso de otros métodos.
Un instrumento de vanguardia
El equipo diseñó el instrumento con componentes sencillos y listos para usar, lo que lo hace ampliamente adoptable, y están compartiendo los esquemas ópticos completos y un compendio de fuentes de error «no obvias» para abrir el campo a otros.
Utilizaron una cámara con puerta electrónica y un sistema óptico de polarización cuidadosamente diseñado para registrar el vector de Stokes completo en tiempo real, rastreando los cambios en la emisión de luz de diferentes tipos de moléculas con luminiscencia polarizada tanto fuerte como débil. Al registrar la huella de polarización completa, el nuevo sistema puede revelar detalles que otros métodos pasan por alto.
El nuevo enfoque capturó con éxito cambios de polarización en materiales que nunca antes se habían rastreado con tanto detalle. Reprodujo resultados de referencia para moléculas bien estudiadas y reveló dinámicas nunca antes vistas en emisores orgánicos y sistemas complejos donde la emisión de luz ocurre tanto en escalas de tiempo rápidas como lentas.
La técnica también expuso artefactos de polarización sutiles (señales falsas que las mediciones tradicionales a menudo confunden con efectos reales), lo que permitió a los investigadores evitar errores comunes.
Gracias a su combinación de alta sensibilidad, amplia cobertura espectral y resolución temporal de nanosegundos, esta técnica abre una ventana sin precedentes al campo de la dinámica de polarización del estado excitado y la ruptura de simetría. Los científicos ahora pueden observar estos procesos en tiempo real, acelerando el diseño y desarrollo de emisores quirales, materiales cuánticos y dispositivos optoelectrónicos avanzados.
El equipo también ha hecho públicos sus planos y algoritmos de automatización en un esfuerzo por democratizar el campo y ayudar a acelerar los descubrimientos en todo el mundo.
Fondos
Instituto Rowland (Harvard)
Studienstiftung des deutschen Volkes
Escuela Politécnica Federal de Lausana
Escuela de doctorado 2MIB de la Universidad Paris-Saclay
Ministerio de Educación Superior, Investigación e Innovación de Francia
Referencias
Antti-Pekka M. Reponen, Marcel Mattes, Zachary A. VanOrman, Lilian Estaque, Grégory Pieters, Sascha Feldmann. Espectroscopía de luminiscencia transitoria de banda ancha de Stokes completo. Nature, 25 de junio de 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-09197-3
EPFL News. N. P. Traducido al español
