Химики Массачусетского технологического института придумали способ контролировать нежелательное мигание квантовых точек, изображенных здесь в виде желтых сфер, без каких-либо изменений в рецептуре или производственном процессе. Предоставлено: Цзяоцзянь Ши, Вэйвэй Сун и Хендрик Утзат, Кейт Нельсон и Мунги Бавенди и др. аль

Теперь команда химиков из Массачусетского технологического института придумала способ контролировать это нежелательное мигание, не требуя внесения каких-либо изменений в рецептуру или производственный процесс. Путем включения луча лазерного света среднего инфракрасного диапазона на бесконечно малый момент - несколько триллионных долей секунды - мигание квантовой точки устраняется на относительно долгий период, в десятки миллиардов раз дольше, чем лазерный импульс.

Новая техника описана в статье, опубликованной в журнале. Природа Нанотехнологиидокторантами Цзяоцзянь Ши, Вэйвэй Сун и Хендриком Утзатом, профессорами химии Китом Нельсоном и Моунги Бавенди и пятью другими сотрудниками Массачусетского технологического института.

Квантовые точки - это крошечные частицы размером всего несколько нанометров в диаметре, сделанные из полупроводникового материала, который имеет «запрещенную зону» между энергетическими уровнями своих электронов. Когда такие материалы получают энергию от падающего на них света, электроны могут перейти в более высокую энергетическую зону; когда они возвращаются на свой предыдущий уровень, энергия высвобождается в виде фотона, частицы света. Частоту этого света, определяющую его цвет, можно точно настроить, выбрав форму и размер точек. Помимо экранов дисплеев, квантовые точки могут использоваться в качестве солнечных элементов, транзисторов, лазеров и устройств квантовой информации.

Явление мерцания было впервые обнаружено в 1990-х годах, вскоре после того, как были впервые созданы квантовые точки. «С тех пор, - говорит Бавенди, - я буду проводить презентации. [about quantum dots], и люди говорили: «Просто убери это!» Итак, было приложено много усилий, чтобы попытаться устранить его, создав интерфейс между точкой и окружающей средой или добавив другие молекулы. Но ни одна из этих вещей не работала хорошо и не воспроизводилась ».

«Мы знаем, что для некоторых приложений квантовой информации нам нужен идеальный источник однофотонного излучения», - объясняет Сан. Но с доступными в настоящее время квантовыми точками, которые в противном случае могли бы хорошо подходить для таких приложений, «они будут случайным образом отключаться, и это на самом деле пагубно для любого из приложений, которые используют фотолюминесценцию от точек».

Но теперь, по ее словам, благодаря исследованиям команды, «мы используем эти сверхбыстрые импульсы в среднем инфракрасном диапазоне, и квантовые точки могут оставаться во включенном состоянии. Это потенциально может быть очень полезно для приложений, таких как квантовая информатика, где вам действительно нужен яркий источник одиночных фотонов без какой-либо перемежаемости ».

Точно так же, по словам Ши, для приложений биомедицинских исследований важно исключить мигание. «Есть много биологических процессов, которые действительно требуют визуализации с помощью устойчивой фотолюминесцентной метки, например приложения для отслеживания. Например, когда мы принимаем лекарства, вы хотите визуализировать, как эти молекулы лекарства интернализуются в клетке и где в субклеточных органеллах они попадают ». По его словам, это могло бы привести к более эффективным процессам открытия лекарств, «но если квантовые точки начнут часто мигать, вы в основном теряете из виду, где находится молекула».

Нельсон, профессор химии Хаслама и Дьюи, объясняет, что причина явления мигания, вероятно, связана с дополнительными электрическими зарядами, такими как дополнительные электроны, которые прикрепляются к внешней части квантовых точек, изменяя свойства поверхности таким образом, что Есть и другие альтернативные пути высвобождения дополнительной энергии вместо излучения света.

«В реальной окружающей среде могут происходить разные вещи, - говорит Нельсон, - например, на квантовой точке может быть электрон, отраженный где-то на поверхности». Вместо того, чтобы быть электрически нейтральной, квантовая точка теперь имеет чистый заряд, и хотя она все еще может вернуться в свое основное состояние, испуская фотон, «дополнительный заряд, к сожалению, также открывает целый ряд дополнительных путей для возбужденного состояния электрона. вернуться в основное состояние без излучения фотона », например, вместо этого выделяя тепло.

Но под воздействием вспышки среднего инфракрасного света дополнительные заряды, как правило, сбиваются с поверхности, позволяя квантовым точкам производить стабильное излучение и перестать мигать.

Оказывается, говорит Утзат, это «очень общий процесс», который может оказаться полезным для борьбы с аномальной перемежаемостью в некоторых других устройствах, например, в так называемых центрах вакансий азота в алмазе, которые используются. для микроскопии сверхвысокого разрешения и в качестве источников одиночных фотонов в оптических квантовых технологиях. «Несмотря на то, что мы показали это только для одного вида материала рабочей лошадки, квантовой точки, я считаю, что мы можем применить этот метод к другим излучателям», - говорит он. «Я думаю, что основной эффект от использования этого среднего инфракрасного света применим к большому количеству различных материалов».

Нельсон говорит, что эффект также может не ограничиваться импульсами среднего инфракрасного диапазона, которые в настоящее время зависят от громоздкого и дорогого лабораторного лазерного оборудования и еще не готовы для коммерческого применения. По его словам, тот же принцип может быть распространен и на терагерцовые частоты, область, которая разрабатывалась в его лаборатории и других организациях и которая в принципе может привести к созданию гораздо меньших и менее дорогих устройств.