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Nobel Física 2014 para Akasaki, Amano y Nakamura por el diodo azul
El diodo azul, una tecnología que casi todos usamos todos los días, obtiene el Premio Nobel de Física 2014. Isamu Akasaki y Hiroshi Amano (Univ. Nagoya, Japón) y Shuji Nakamura (Univ. California, Santa Barbara, EEUU). Seguro que tienes en el bolsillo ahora mismo un dispositivo que usa esta tecnología. Sin lugar a dudas este Premio Nobel de Física 2014 recoge perfectamente el espíritu original de Alfred Nobel.
Anuncio oficial del premio, nota de prensa, información divulgativa e información avanzada
Los diodos emisores de luz (LED) actuales emiten luz entre el infrarrojo y el ultravioleta. Sin embargo, los primeros LED desarrollados en los 1950 y en los 1960 sólo emitían luz entre el infrarrojo y el verde. Los colores azules y ultravioletas parecían imposibles de lograr. A finales de los 1980 se propuso el uso de nitruro de galio (GaN) en dispositivos multicapa (heteroestructuras y pozos cuánticos). La importancia de lograr LED azules era enorme, ya que permitía el desarrollo de fuentes eficientes de luz blanca para iluminación (combinando LED rojos, verdes y azules). Hay que recordar que la iluminación supone entre el 20% y el 30% de nuestro consumo de energía eléctrica.
La emisión de luz por electroluminiscencia se basa en la existencia de una banda prohibida entre las bandas de valencia y conducción en un material semiconductor. Lograr un material cuya emisión de luz sea en el azul es muy difícil porque se requiere una banda prohibida muy grande. Se estudiaron diferentes materiales compuestos (como ZnSe y SiC), pero al final se logró con GaN, un semiconductor de la clase III-V, con estructura cristalina tipo wurtzita. El GaN tiene una banda prohibida de 3,4 eV, que corresponde al ultravioleta.
El gran problema del uso del GaN era fabricar este material con una calidad cristalina adecuada y de forma eficiente. En los 1970 se probaron muchas técnicas sin éxito. Isamu Akasaki desarrolló nuevas técnicas de crecimiento de GaN sobre zafiro usando una capa de AlN. En 1981, en la Universidad de Nagoya, Japón, empezó a colaborar con Hiroshi Amano y en 1986 logró la técnica que le ha permitido obtener el Premio Nobel de Física 2014 (H. Amano et al., “Metalorganic vapor phase epitaxial growth of a high quality GaN film using an AlN buffer layer,” Appl. Phys. Lett. 48: 353, 1986).
Shuji Nakamura (en una empresa privada japonesa) desarrolló un método similar en el que reemplazó la capa de AlN por una fina capa de GaN crecida a baja temperatura (Shuji Nakamura, “GaN Growth Using GaN Buffer Layer,” Japanese Journal of Applied Physics 30: L1705, 1991; Shuji Nakamura et al., “High-Power GaN P-N Junction Blue-Light-Emitting Diodes,” Japanese Journal of Applied Physics 30:L1998, 1991). Nakamura y sus colegas aprovecharon los resultados previos de Akasaki y Amano para desarrollar una técnica de dopado del GaN con Zn (material p) y Mg (material n) para dar lugar a uniones (diodos) pn que emiten luz.
Ampliar en: La Ciencia de la Mula Francis
El origen de la iluminación mediante LED
Oleg Vladimirovich Losev fue el inventor de la iluminación LED. Este técnico de radio ruso pasó muchos años investigando y explorando la tecnología, pero el reconocimiento de dicha invención se hizo de manera póstuma.
Losev, trabajando como técnico de radio, tuvo la ocurrencia de investigar los diodos utilizados en las radios de principios del siglo XX: pues los diodos emitían luz cuando las corrientes eléctricas pasaban por su interior sin crear calor sensible. Por ello, en 1927, publicó su investigación sobre el descubrimiento de los diodos emisores de luz en una de las revistas más prestigiosas de electrónica rusas. Más tarde, patentó “el dispositivo de relé de la luz” con el que los usuarios podían transmitir comunicaciones telefónicas e imágenes a través de relés de alta velocidad.
El paso siguiente, así pues, fue publicar en revistas sobre tecnología en Alemania e Inglaterra sobre las luces LED, intentando incluso contactar con Albert Einstein y así poderse explicar el motivo por el cual los cambios de energía en el material de los electrones producían luz sin calor.
Ampliar en: Mala Ciencia
Nueva posibilidad en la física cuántica con la superconductividad en LED
Un equipo de físicos de la Universidad de Toronto (Canadá) liderados por Alex Hayat ha propuesto una forma novedosa y eficiente para aprovechar el fenómeno de la física cuántica conocido como entrelazamiento. El enfoque implicaría la combinación de diodos emisores de luz (LED) con un superconductor para generar fotones entrelazados y podría abrir un rico espectro de una nueva física , así como dispositivos de tecnologías cuánticas, incluidos los ordenadores cuánticos y la comunicación cuántica. El entrelazamiento se produce cuando las partículas se convierten en pares correlacionados para interactuar previsiblemente entre sí , independientemente de lo lejos que están. Mida las propiedades de uno de los miembros del par entrelazado y al instante conocer las propiedades de la otra. Es uno de los aspectos más desconcertantes de la mecánica cuántica, lo que lleva a Einstein a llamarlo » acción fantasmal a distancia».
«Una fuente de luz habitual tal como un LED emite fotones al azar sin ningún tipo de correlaciones», explica Hayat, quien también es Académico en el Instituto Canadiense de Investigaciones Avanzadas. » Hemos demostrado que la generación de entrelazamiento entre los fotones emitidos desde un LED se puede lograr mediante la adición de otro efecto físico peculiar, la superconductividad – una corriente eléctrica sin resistencia en ciertos materiales a bajas temperaturas «.
Este efecto se produce cuando los electrones se enlazan en pares de Cooper. Cuando una capa de dicho material superconductor se coloca en estrecho contacto con una estructura de LED de semiconductores, los pares de Cooper se inyectan en el LED, de modo que los pares de electrones entrelazados crean pares de fotones entrelazados. El efecto, sin embargo, resulta que sólo funciona en LEDs que utilizan regiones activas de nanómetros de espesor – pozos cuánticos.
«Por lo general las propiedades cuánticas aparecen en escalas muy pequeñas – un electrón o un átomo de superconductividad permite que los efectos cuánticos aparezcan en grandes escalas, un componente eléctrico o todo un circuito. Este comportamiento cuántico puede mejorar significativamente la emisión de luz en general, y la emisión de fotones entrelazados en particular», dijo Hayat.
Fuente: University of Toronto
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El caso “Reticare” como síntoma
Reticare, es la marca de una lámina que, a cambio de un nada módico precio, supuestamente protege a los usuarios de dispositivos con pantallas iluminadas por LED (móviles táctiles, tabletas, etc.) de lo que la propia empresa vendedora califica como “luz tóxica“, unas malvadísimas radiaciones que por lo visto nos van a dejar a todos ciegos. Una afirmación que resulta tremendamente chocante, la verdad. Pero tranquilos: según nos explica también la empresa, el producto está avalado por los trabajos de investigación de un grupo de científicos de la Universidad Complutense de Madrid.
En fin, un aval científico tan impresionante como… bueno, digamos que poco consistente. Lo cuenta muy bien el prestigioso blog Ocularis en esta entrada, de la que reproduzco un par de párrafos:
Voy a intentar resumir tanto artículo con un párrafo. Los ojos trabajan con luz, necesitan la luz para ejercer su función. Es un órgano que está expuesto a la radiación solar en todos los animales, incluidos nosotros. La evolución ha ido adaptando y modificando el órgano para que no se deteriore, como es fácil de suponer. No se ha demostrado que una exposición normal a la luz solar sea perjudicial, y no se ha demostrado que ninguna protección o barrera prevenga de enfermedades oculares. No se ha demostrado que se produzca un deterioro de la retina debido a la luz visible más energética (luz azul), y no se ha demostrado que filtrando esta luz azul prevengamos de daños en la retina. Por otra parte, la luz solar es más intensa y energética que la luz artificial que se originan en pantallas LED. Si con la dosis más alta los filtros no son útiles, con la dosis más baja, la plausibilidad es incluso menor.
Profundizar en más explicaciones sería repetir lo mismo de lo que ya hablé en la serie de las lentes intraoculares amarillas. Pero también hay información en otras webs. Quien quiera leer más sobre el tema recomiendo dos artículos del blog La mentira está ahí fuera, una lectura muy recomendable. En el primero se contraponen las afirmaciones de los vendedores del Reticare con la evidencia científica. En el segundo hacen un análisis del estudio en el que se basa la comercialización del Reticare. El estudio, efectivamente, ofrece serias dudas metodológicas, dudas éticas sobre conflicto de intereses, y por su propio diseño no sirve para dar validez a ningún filtro. De hecho, no se puede hacer ninguna afirmación clínica ni práctica a partir de él.
Vamos, que la hipótesis de partida (lo de la peligrosidad de la “luz tóxica” de los dispositivos) es más que dudosa, y los estudios científicos ni parecen nada sólidos ni realmente tienen nada que ver con el dichoso filtro.
Por su parte, la empresa Reticare ha aportado nuevas evidencias científ… ah, no: ha intentado que Ocularis retire la entrada. Ya saben: a falta de argumentos científicos, exhiben su musculatura legal. Con lo feo que está eso de mandar una carta de un bufete de abogados en vez de un puñado de referencias a estudios serios o, no sé, una felicitación navideña…
En cualquier caso, les remito a las entradas de Ocularis o La mentira está ahí fuera (o a lo que cuenta hoy en Naukas el bueno de Arturo Quirantes) en cuanto a los fundamentos científicos (o más bien la falta de fundamentos científicos) de Reticare. Por mi parte la cuestión que me planteo es la de la participación de la Universidad Complutense. ¿Saben los responsables universitarios que se está empleando su aval de una forma tan… bueno, tan poco consistente? Si no lo saben, ¿es que no verifican, aunque sea mínimamente, quién y para qué emplea ese sello de calidad? Y, si lo saben, ¿no les importa ver su prestigio académico e investigador comprometido de esa manera?
El caso de Reticare y la Complutense no es único, pero sí sintomático. Y quizá va siendo ya hora de que alguien empiece a elaborar un diagnóstico y proponer una cura.
Fuente: La lista de la vergüenza
Autor: Fernando Frías
Adornos navideños cuánticos
Desde hace pocos la iluminación de las calles en las fiestas cambió radicalmente. Además del cambio estético, también supuso un importante cambio tecnológico. Las bombillas incandescentes tradicionales fueron sustituidas por bombillas LED (Light Emitting Diode). La bombilla incandescente, es decir, la bombilla de toda la vida, no tiene nada que ver con estas nuevas bombillas LED, ni tampoco su rendimiento energético.
En la bombilla incandescente, la corriente eléctrica pasa por un filamento de wolframio (o tungsteno) extremadamente delgado -su espesor apenas supera una décima de milímetro- y largo -desenrollado mide más de 2 metros-. Debido a la elevada resistencia eléctrica del filamento, éste se calienta hasta alcanzar temperaturas superiores a los 2000 C. Los objetos que se encuentran a esas temperaturas emiten radiación visible, con lo que la bombilla emite luz. Sin embargo, la mayor parte de la radiación que emiten estas bombillas es infrarroja, que nosotros percibimos en forma de calor. De hecho, esa es la principal causa de la ineficiencia de las bombillas incandescentes, en las que sólo el 10% de la energía aportada se transforma en luz, el resto se pierde en forma de calor.
Las bombillas LED son totalmente diferentes y, aunque pueda parecer extraño, su funcionamiento es una consecuencia directa de la física cuántica. Son luces cuánticas. Curiosamente, el mecanismo que explica la emisión de luz en un LED es el opuesto al efecto fotoeléctrico, por el que Einstein recibiera el Premio Nobel en 1921. Si en el efecto fotoeléctrico la aplicación de luz sobre una material metálico induce una corriente eléctrica, en un LED se crea luz al aplicar corriente. Un LED es un diodo, cuyo componente principal es un semiconductor. Cuando la corriente pasa a través del semiconductor los electrones del diodo aumentan su energía pero inmediatamente después vuelven a su estado energético inicial emitiendo un fotón o, lo que es lo mismo, luz. Estas bombillas apenas se calientan, por lo que son extremadamente eficientes. De hecho, consumen unas 10 veces menos que las bombillas incandescentes, y también duran mucho más, unas 100 veces más, de modo que pueden estar encendidas durante más de 10 años ininterrumpidamente sin fundirse.
Las bombillas LED no son un invento reciente. Se conocen desde la década de los 60. Los primeros diodos emitían luz roja, que ahora son tan frecuentes en los aparatos electrónicos que nos rodean por casa. Posteriormente, se desarrollaron los verdes y a finales de los noventa Shuji Nakamura, que en el 2006 fue galardonado con el premio de la Tecnología del Milenio (considerado como el Premio Nobel de la Tecnología), logró obtener diodos azules. Este fue un gran avance, ya que su combinación con los diodos verdes y rojos permitía la obtención de luz blanca, y ampliar enormemente las aplicaciones tecnológicas de los LED.
A pesar de su ineficiencia, hemos estado utilizando las bombillas incandescentes durante más de 100 años. Sin embargo, gracias a la apuesta decidida de Europa por el ahorro energético, su venta ya está prohibida. No es un gran problema, ya que tenemos muchas alternativas: las luces halógenas (que también son incandescentes y, por lo tanto, no muy eficientes), las fluorescentes de bajo consumo y, cómo no, las bombillas LED, que dentro de pocos años, tan pronto bajen algo más su precio, serán las que seguramente iluminen nuestros hogares.
Retomando el debate del derroche energético del alumbrado navideño, en una ciudad como Bilbao sólo se necesitan 125 kW de potencia para alumbrar las más de las 500000 bombillas LED que se han instalado. Considerando que las luces sólo se encienden desde las 18 hasta las 22, y que el precio actual del kW-h ronda los 0.1 euros, ¡el coste diario no supera los 50 euros! No es para tanto, ¿no? En fin, si realmente contribuye a fomentar el optimismo ciudadano en estas Navidades me parece que es asumible. Por supuesto, no siempre ha sido igual. Antes del alumbrado cuántico, cuando se utilizaban las bombillas incandescentes tradicionales, el consumo era unas diez veces mayor.
Fuente: Cuaderno de Cultura Científica
Li-Fi, uso de LEDs de iluminación para transmitir datos
La luz es la parte del espectro electromagnético que podemos ver, un conjunto de longitudes de onda que conocemos como espectro visible y cuyas frecuencias están muy por encima de las ondas de radio, por ejemplo (el espectro visible se encuentra en la banda de los 384 THz). En el ámbito de las comunicaciones, solemos trabajar con ondas electromagnéticas (ya sea en la banda de radio o en las microondas) que propagamos a través de un soporte físico o a través del aire o, en su defecto, usando infraestructuras como los cables de fibra óptica (o incluso comunicaciones con haces láser sin usar fibras).
Si bien es cierto que los LEDs se llevan utilizando desde hace bastante tiempo en comunicaciones, por ejemplo, en infrarrojos e, incluso, para alimentar comunicaciones basadas en fibras ópticas; la Universidad de Strathclyde, en Reino Unido, se ha propuesto convertir el parpadeo constante de las luces basadas en LED en una tecnología de comunicación que sea capaz de transmitir datos usando el espectro de luz visible.
Esta universidad ha creado un centro de investigación, denominado Intelligent Lighting Centre, junto a otras entidades que forman el Li-Fi Consortium para investigar el desarrollo de LEDs de pequeño tamaño que, además de alumbrar, sirvan para transmitir datos y, para ello, contarán con la nada despreciable cifra de 7,28 millones de dólares para trabajar en esta materia.
Ampliar en: ALT1040
Comparación de bombillas LED, bajo consumo e incandescente
Esta figura compara tres bombillas de uso doméstico. La línea azul corresponde a un bombilla de LEDs, la verde a una de bajo consumo y la roja a una de filamento incandescente. La parte derecha muestra el flujo de corriente (voltaje medido a través de una resistencia de 1 ?) y la parte izquierda el espectro luminoso. La corriente máxima en los LEDs es de unos 50 mA, mientras que en la bombilla de filamento alcanza los 300 mA. Ciertamente, aunque su precio es mayor y su omnidireccionalidad menor, las bombillas de LEDs son la mejor elección. Nos lo cuenta Frank Thompson, “Shedding a little light on illumination,” Physics Education 47: 390-391, Sep. 2012.
Ampliar en: Francis (th)E mule Science’s News
Los puntos cuánticos aclaran el futuro de la iluminación
Con la edad de la bombilla incandescente desvaneciéndose rápidamente, el santo grial de la industria de la iluminación es el desarrollo de una forma muy eficiente de iluminación de estado sólido que produzca luz blanca de alta calidad.
Una de las pocas tecnologías alternativas que producen luz blanca pura son los puntos cuánticos. Estos son ultrapequeñas perlas fluorescentes de seleniuro de cadmio que pueden convertir la luz azul producida por un LED en una luz blanca cálida con un espectro similar al de la luz incandescente. (Por el contrario, los tubos fluorescentes compactos y la mayoría de los LEDs de luz blanca emiten una combinación de colores monocromáticos que simulan la luz blanca).
Hace siete años, cuando de luz blanca de los puntos cuánticos fueron descubiertos accidentalmente en un laboratorio de química de Vanderbilt, su eficiencia era demasiado baja para aplicaciones comerciales y varios expertos predijeron que sería imposible elevarla a niveles prácticos. Hoy, sin embargo, investigadores de Vanderbilt han demostrado que esas predicciones equivocadas al informar que se ha logrado incrementar la eficiencia de fluorescencia de estos nanocristales a partir de un nivel inicial de tres por ciento hasta un máximo de 45 por ciento.
Posibles aplicaciones comerciales
«Cuarenta y cinco por ciento es tan alta como la eficiencia de algunos fósforos comerciales lo que sugiere que los puntos cuánticos de luz blanca se pueden utilizar ahora en algunas aplicaciones de iluminación especiales», dijo Sandra Rosenthal, Jack y Pamela Egan, quien dirigió la investigación que se describe en línea en el Journal of the American Chemical Society. «El hecho de que hemos impulsado con éxito su eficacia en más de 10 veces también significa que debe ser posible mejorar su eficiencia aún más.»
La medida general para la eficiencia global de los dispositivos de iluminación se llama eficiencia luminosa y mide la cantidad de luz visible (lúmenes) que un dispositivo produce por vatio. Una bombilla incandescente produce alrededor de 15 lúmenes por vatio, mientras que unos tubos fluorescentes dan alrededor de 100 lúmenes por vatio. Los LED de luz anca blen la actualidad en el mercado van de 28 a 93 lúmenes por vatio.
«Calculamos que si se combinan los puntos cuánticos con la mejora de la radiación ultravioleta más eficiente de LED, el dispositivo híbrido tendría una eficiencia luminosa de alrededor de 40 lúmenes por vatio,» afirmó James McBride, profesor asistente de investigación de química que ha estado involucrado en la investigación desde su creación. «Hay mucho espacio para mejorar la eficiencia de los LEDs UV y las mejoras se traducen directamente en una mayor eficiencia en el híbrido.»
Un descubrimiento accidental
Los puntos cuánticos fueron descubiertos en 1980. Son gotas de material semiconductor – el material del que están hechos los transistores – que son tan pequeños que tienen propiedades electrónicas, intermedias entre las de semiconductores y las moléculas individuales. Una de sus propiedades útiles es la fluorescencia que produce colores distintos determinados por el tamaño de las partículas. Cuando el tamaño de los nanocristales se contrae, la luz que emiten cambia de rojo a azul. El descubrimiento de Vanderbilt fue ultrapequeños puntos cuánticos, que contiene sólo 60 a 70 átomos, que emiten blanco en lugar de la luz monocromática.
«Estos puntos cuánticos son tan pequeñas que casi todos los átomos están en la superficie, por lo que la emisión de luz blanca es intrínsecamente un fenómeno de superficie», dijo Rosenthal.
Uno de los primeros métodos utilizados en el intento de iluminar los nanocristales es «bombardeo» – cultivo de una cáscara alrededor de ellos hecha de un material diferente, como sulfuro de cinc. Por desgracia, el encapsulado extingue el efecto de la luz blanca y los puntos cuánticos producen sólo color claro.
Químicos siguiendo el olfato
A raíz de una iniciativa de algunas investigaciones llevadas a cabo en la Universidad de Carolina del Norte, los investigadores decidieron ver si el tratamiento de los puntos cuánticos con sales de metales tienen un efecto de iluminación. Se dieron cuenta de que algunas de las sales parecían producir una pequeña – mejora, pero perceptible – 10 a 20 por ciento.
«Eran las sales de acetato y que olían un poco como el ácido acético», dijo McBride. «Sabíamos que el ácido acético se une a los puntos cuánticos, así que decidimos darle una oportunidad.»
La decisión de seguir a su nariz resultó ser afortunada. El tratamiento con ácido acético llevaba la eficiencia de los puntos cuánticos fluorescentes de ocho por ciento al 20 por ciento!
El ácido acético es un miembro de la familia del ácido carbocíclico. Así, los investigadores trataron a los demás miembros de la familia. Ellos encontraron que el miembro más simple y más ácido – ácido fórmico, el producto químico que las hormigas utilizan para marcar sus caminos – trabajó mejor, empujando a la eficiencia hasta un 45 por ciento.
La mejora del brillo ha un efecto secundario inesperado. Cambió el pico del espectro de color de los puntos cuánticos poco en el azul. Esto es irónico, porque la principal queja de los LEDs de luz blanca es que la luz que producen tiene un tinte azul desagradable. Sin embargo, los investigadores sostienen que ellos saben cómo corregir el balance de color de la luz generada.
El siguiente paso de los investigadores es probar diferentes métodos para encapsular los puntos cuánticos mejorados .
Fuente: EurekAlert!
Ropa de seda que actúa como pantalla LED
La tela del vestido de seda funciona como una pantalla integrada por diez mil diodos emisores de luz (LED) bordados a mano y que, combinados con cristales Swarovski, provocan distintos efectos ópticos y texturas, gestionados por un microcontrolador.
Cute Circuit es un colectivo inglés de diseño de moda formado por Francesca Rosella y Ryan Genz, quienes se dedican a explorar las posibilidades de los wearables y redefinir de forma electrónica el mundo de la alta costura.
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LED con eficiencia superior al 100% no violan leyes de la termodinámica
Los físicos empeñados en «destruir el universo» han llegado con un pequeño LED que produce 69 picovatios de la luz durante el uso, con sólo 30 picovatios de potencia suministrada. Esa es una eficiencia superior al 100%, lo que debería ser imposible, pero no lo es.
La semana pasada, físicos del MIT publicaron un artículo en Physical Review Letters titulado «Diodos emisores de luz termoeléctricamente bombeados funcionan por encima de la eficiencia unidad.» Mi conjetura es que la mayoría de los físicos temblarán un poco al ver la frase «por encima de la unidad,» porque esa es otra manera de decir ya sea «máquina de movimiento perpetuo» o «energía gratis», ambos de los cuales es probable que se deba a un excéntrico (si tienes suerte) o un chiflado total (si no esta).
El exceso puede ser imposible, pero el LED en este trabajo sin duda dio más del doble de energía en forma de fotones, como los investigadores alimentaron en forma de electrones. Encontraron que a medida que disminuye la tensión eléctrica que entró en el LED, la luz emitida por una disminución de la proporción directa, mientras que la potencia de entrada disminuye de manera exponencial. En otras palabras, a menos potencia que se proporciona LED, más eficiente se vuelve para producir luz, y si se disminuye la potencia suficiente, pueden ir más allá de la marca de eficiencia del 100%.
Entonces, ¿cómo no se invalida la conservación de la energía? Tenemos que ver cómo la energía fluye a través de todo el sistema, no sólo en la electricidad y la luz hacia fuera. Cuando el LED se pone a más de 100% de eficiencia eléctrica, comienza a enfriarse por sí mismo hacia abajo, lo cual es otra manera de decir que trata de robar la energía (en forma de calor) de su entorno y convertir ese calor en fotones.
Este efecto de enfriamiento tiene algunas implicaciones interesantes para la electrónica de baja potencia, pero lo más importante, todos podemos descansar un poco más fácil a sabiendas de que las leyes físicas básicas que enmarcan nuestra percepción del universo han sobrevivido un día más.
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