Как используются квантовые точки, которые перестают мигать

Новый подход решает постоянную проблему перемежаемости, которая препятствовала использованию крошечных излучателей света для получения изображений биологических объектов или квантовой фотоники.

Свойства квантовых точек

Квантовые точки, открытые в 1990-х годах, имеют широкий спектр применения и, возможно, наиболее известны тем, что дают яркие цвета в некоторых телевизорах высокого класса. Но для некоторых потенциальных применений, таких как отслеживание биохимических путей действия лекарства при его взаимодействии с живыми клетками, прогрессу препятствует одна, казалось бы, неконтролируемая характеристика: склонность мигать через случайные промежутки времени. Это не имеет значения, когда точки используются в совокупности, как на экранах телевизоров, но для точных приложений это может быть значительным недостатком.

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 исследователями.

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 лазера среднего инфракрасного диапазона на бесконечно малый момент — несколько триллионных долей секунды — мигание квантовой точки устраняется на относительно длительный период, в десятки миллиардов раз дольше, чем лазерный импульс.

Новый метод описан в статье, опубликованной 22 ноября 2021 года в журнале Nature Nanotechnology, докторантами Цзяоцзянь Ши, Вэйвэем Сун и Хендриком Утзатом, профессорами химии Китом Нельсоном и Моунги Бавенди, а также 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.

Мерцание

Явление мерцания было впервые обнаружено в 1990-х годах, вскоре после того, как были впервые созданы квантовые точки. «С того времени, — говорит Бавенди, — я буду проводить презентации [о квантовых точках], и люди говорят: « Просто уберите 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 испускания фотона », например, вместо этого выделяя тепло.

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 по размеру и менее дорогих устройств.

Источник

Метки: Нанотехнологии