LED con un rendimiento del 200%

Han conseguido desarrollar un diodo de emisión de luz o LED que tiene un rendimiento del 200%. Es decir que emite el doble de energía en forma de luz (infrarroja) que la energía eléctrica con el que se le alimenta. Aunque parezca que se viola algún principio termodinámico no es así. En realidad el dispositivo toma la energía térmica en forma de vibraciones de la red cristalina para emitir ese 100% extra.
El dispositivo fue predicho en 1957 pero hasta ahora no había sido posible conseguir su materialización práctica. Como posible aplicación interesante estaría su uso como bomba de calor óptica de otros dispositivos. Así por ejemplo, se podría usar como sistema de refrigeración criogénico muy eficiente. Digamos que se podría evacuar el calor en un recinto hacia el exterior en forma de luz. También se podría usar en una versión más directa como sistema de iluminación.
La energía de los fotones emitidos por un LED (y por tanto su frecuencia) depende de la zanja de energía del semiconductor empleado, fija para un compuesto determinado. Cuando los electrones y huecos se combinan se emiten fotones (recombinación radiativa) que se llevan la energía del sistema. El voltaje aplicado crea los pares electrón-hueco, pero el voltaje no influye en la energía de los fotones resultantes.
Sin embargo, es posible emitir fotones con energía diferentes de la zanja del semiconductor. La mayoría de las recombinaciones de electrón-hueco no producen fotones, sino calor que es absorbido por el semiconductor en forma de fonones, que son vibraciones cuantizadas de la red cristalina. Estas vibraciones crean una reserva de energía que puede aumentar la energía de los fotones producidos por la recombinación radiativa. En 1957 Jan Tauc (Instituto de Física Técnica de Praga) señalo que si se era capaz de establecer un mecanismo mediante el cual la radiación se llevara el calor de la red cristalina no había problemas a la hora de superar el 100% del rendimiento y además enfriar el entorno.
No se viola el segundo principio de la termodinámica, pues los fotones tienen una entropía que se escapa del sistema. Tendemos a pensar que los fotones son una forma de energía, pero no que pueden ser una forma de “calor” y tener una entropía.
Pero durante estas cinco décadas nadie había sido capaz de implementar esta idea en un dispositivo real hasta ahora y ver cómo se enfriaba el entorno. Aunque se intentó maximizar el número de fotones producidos a través del aumento del voltaje de alimentación no se conseguía enfriamiento porque esta acción producía más calor a través de procesos no radiativos.
Parthiban Santhanam y sus colaboradores hicieron exactamente lo opuesto, redujeron el voltaje hasta sólo 70μV. Además calentaron el LED a 135 grados centígrados para producir suficiente calor en la red cristalina. Consiguieron medir 70 pW de potencia emitidos por el LED cuando sólo se consumían 30 pW. Es decir una eficiencia del 200%.
A un voltaje tan cercano a cero tanto la producción de luz como la disipación casi desaparecen, pero como la potencia disipada es proporcional al cuadrado de la corriente, mientras que la luz emitida es directamente proporcional a la corriente entonces el voltaje de entrada dobla su eficacia.
Una posible aplicación del sistema sería su uso para bombear el calor de un sitio, calor que evacuaría en forma de luz que abandonaría el lugar. Posiblemente su primer uso sería en experimentos de laboratorio, porque las bajas potencias alcanzadas no parecen favorecer usos prácticos.
Santhanam, sin embargo, opina que su uso principal será como fuente de luz en comunicaciones.

Fuentes:

NeoFronteras

Noticia en PhyscisWorld
Artículo en ArXiv

Acerca de A. Arrieta

Físico egresado de la Universidad de Córdoba con sede en la Ciudad de Montería. Magister en Física de la Universidad Nacional de Colombia con sede en la ciudad de Medellín. Docente del Instituto Tecnológico Metropolitano (ITM) y docente adscrito a la Secretaría de Educación de Medellín. "Amarrar el conocimiento no te hace más sabio, en cambio compartirlo te hace más útil a la sociedad, trascender y no morir para siempre"
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