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El Premio Nobel de Física 2014, explicado por un egresado del Balseiro

El siglo XXI será iluminado con LED (Crédito Steve Jurvetson/Flickr).

Gracias al invento del “diodo emisor de luz” azul (o LED azul), tres científicos nacidos en Japón recibieron esta semana el Premio Nobel de Física 2014. Esa tecnología se utiliza en lámparas para iluminación, semáforos, y pantallas de teléfonos celulares, televisores y computadoras, entre otros dispositivos que se usan en la vida cotidiana. Un egresado del Instituto Balseiro que vivió en Japón y que investiga en el campo de los LED explica cómo el invento revolucionó el campo de la electrónica del siglo XXI.

Fecha de publicación: 10/10/2014

Isamu Akasaki, Hiroshi Amano y Shuji Nakamura son los tres investigadores de origen japonés que el pasado martes 7 de octubre fueron laureados con el Premio Nobel de Física 2014. Recibieron ese reconocimiento mundial por haber desarrollado el “diodo emisor de luz” (LED, por sus siglas en inglés) azul, que es una tecnología que se utiliza en la actualidad para producir “luz blanca” en las lámparas LED –mucho más eficientes y amigables con el ambiente– y en otros dispositivos electrónicos que se usan de forma masiva y cotidiana, como las pantallas de las computadoras, los celulares y los televisores.

El LED azul, inventado por los científicos Akasaki y Amano, de nacionalidad japonesa, y Nakamura, de nacionalidad estadounidense, sirvió de puntapié para fabricar las lámparas LED, que son mucho más eficientes que las lámparas incandescentes ya que éstas últimas tienen el defecto convertir la mayor parte de electricidad en calor. Además, las lámparas LED no contienen mercurio como los tubos fluorescentes y las denominadas lámparas de bajo consumo. Esta tecnología basada en el LED azul se utiliza asimismo para almacenamiento de datos, entre otras aplicaciones.

¿Qué es el LED? Se trata de un dispositivo formado por dos capas de materiales semiconductores que conducen electricidad en una única dirección. “La luz blanca de los LED de iluminación se logra combinando un LED azul con un material fluorescente que emite luz amarilla (es similar a la pintura blanca dentro de los tubos fluorescentes, pero emite color más amarillo)”, explica vía correo electrónica Pablo Vaccaro, que egresó de la Licenciatura en Física del Instituto Balseiro en 1986, y vivió 19 años en Japón trabajando también en este campo de los LEDs (son las siglas en inglés de diodo emisor de luz).

Akasaki comenzó a trabajar en la búsqueda del LED azul a principios de la década de 1970, cuando ya existían los LEDs rojos y verdes (hechos con fosfuro de galio o arseniuro de aluminio y galio) y que ya se utilizaban en señalización y cartelería. Vaccaro explica que los LEDs rojos y verdes tenían poca eficiencia de conversión de electricidad –en otras palabras, generaban una luz demasiado tenue –y por lo tanto no se utilizaban para iluminación.

“Amano ingresó en su época de estudiante al laboratorio de Akasaki a principios de la década de 1980, y desarrolló un método para depositar capas de nitruro de galio de alta calidad sobre sustratos de zafiro”, cuenta el físico argentino. Y agrega que también descubrieron cómo controlar la conductividad eléctrica del material. Nakamura, trabajando en la empresa Nichia, durante la década de 1980 desarrolló un método de fabricación de los LED azules que los hizo comercialmente viables, y luego desarrolló diodos láser, inventando nuevos métodos de fabricación con el mismo material.

Vaccaro, quien ha conversado en varias oportunidades con los tres científicos en congresos de la especialidad cuando vivía en Japón, destaca que la búsqueda para producir el LED azul fue ardua. Había varios materiales “candidatos”, tales como el carburo de silicio y el seleniuro de zinc, pero presentaron diversos problemas que imposibilitaron su aplicación práctica en LEDs. Los tres premiados resolvieron los problemas al hallar que el nitruro de galio podía ser un excelente emisor de luz aun cuando tenía numerosos defectos cristalinos, y finalmente se logró la producción de LED azules eficientes en 1993.

Nakamura (de remera blanca) junto a Vaccaro y colegas (Créd.: Gentileza Vaccaro). HUECOS ENTRE SEMICONDUCTORES

“Un material semiconductor como el nitruro de galio, que es usado en los LEDs azules, conduce muy poca electricidad cuando está puro porque todos sus electrones están atados formando enlaces entre átomos. Para que conduzca electricidad se reemplaza una pequeña fracción de los átomos de galio con átomos de silicio. Debido a su estructura electrónica, cada átomo de silicio deja un electrón libre en el material, y ahora conduce electricidad mucho mejor. Se dice que este material está dopado tipo ‘n’”, explica Vaccaro que luego de doctorarse en el Instituto Balseiro –dependiente de la Comisión Nacional de Energía Atómica y Universidad Nacional de Cuyo– se mudó en 1991 a Japón para realizar un posgrado en la Universidad de Kioto.

“También podemos tomar otro trozo de nitruro de galio y reemplazar una pequeña fracción del galio con átomos de magnesio. Ahora, en cambio, debido a su estructura electrónica, cada átomo de magnesio hace que falte un electrón en los enlaces interatómicos. Esto es un ‘hueco’ en ese mar de electrones. Este ‘hueco" también puede moverse, y el material conduce electricidad. Se dice que este material está dopado tipo ‘p’”, agrega el científico, que desde 1993 hasta 2006, trabajó en una empresa japonesa en investigación en el campo de la optoelectrónica.

Asimismo, Vaccaro explica que los diodos se fabrican mediante una unión de material dopado tipo "n" con uno dopado tipo "p". Al hacer circular corriente eléctrica (electrones) desde la zona "n" a la zona "p", los electrones encuentran esos "huecos", y los llenan. “Cada vez que un electrón rellena un ‘hueco’, pierde energía que es emitida como un fotón (luz). La energía de cada fotón está determinada por el material semiconductor usado. Las aleaciones de los materiales nitruro de galio y nitruro de indio permiten producir fotones con un rango de colores desde el ultravioleta hasta el verde”, detalla el investigador.

El científico argentino también destaca que Nakamura desarrolló diodos láser que se están utilizando para la nueva generación de discos ópticos, llamados discos ‘Blu-ray’. Tienen el mismo tamaño que un DVD, pero mientras que en el DVD entran 4,7 Gb de data, en un BD pueden entrar hasta 100 Gb.

Los científicos laureados con el Premio Nobel de Física 2014 (Akasaki, Amano, de nacionalidad japonesa; y Nakamura, nacionalizado estadounidense) recibirán cada uno un tercio del premio: 1,1 millones de dólares. En el sitio web oficial de los Premios Nobel se pueden escuchar los audios de las conversaciones telefónicas apenas se enteraron de que eran los nuevos laureados: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/ .

Con todo, para la Real Academia Sueca de las Ciencias si las lámparas de luz incandescente iluminaron el siglo XX, el siglo XXI será iluminado de forma masiva por las lámparas LED.

SOBRE EL INSTITUTO BALSEIRO

Creado en 1955 a través de un convenio entre la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y la Universidad Nacional de Cuyo (UNCuyo), el Instituto Balseiro (IB) es una institución de enseñanza universitaria pública y gratuita que tiene como objetivo formar profesionales de alto nivel. Los ingresantes reciben becas integrales otorgadas por la CNEA, dependiente del Ministerio de Planificación Federal, que garantizan una dedicación exclusiva al estudio, en el entorno de investigación científica y desarrollo tecnológico del Centro Atómico Bariloche (CAB).

En sus aulas se dictan las carreras de grado de Licenciatura en Física, Ingeniería Nuclear, Ingeniería Mecánica e Ingeniería en Telecomunicaciones. El IB también ofrece la posibilidad de completar una formación de posgrado mediante las Maestrías en Ciencias Físicas, Física Médica e Ingeniería; y los Doctorados en Física, Ingeniería Nuclear y Ciencias de la Ingeniería. Su oferta académica se completa con la Especialización en Aplicaciones Tecnológicas de la Energía Nuclear.

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San Carlos de Bariloche, 10/10/2014

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