Как заставить квантовые точки перестать мигать
Новый подход решает постоянную проблему перемежаемости, которая мешала использованию крошечных излучателей света для биологических изображений или квантовой фотоники.
Дэвид Л. Чендлер | Офис новостей Массачусетского технологического института
Изображение: предоставлено исследователями
Квантовые точки, открытые в 1990-х годах, имеют широкий спектр применений и, возможно, наиболее известны тем, что они обеспечивают яркие цвета в некоторых высококачественных телевизорах. Но для некоторых потенциальных применений, таких как отслеживание биохимических путей действия лекарства при его взаимодействии с живыми клетками, прогресс сдерживается одной, казалось бы, неконтролируемой характеристикой: тенденцией мигать через случайные промежутки времени. Это не имеет значения, когда точки используются в совокупности, как в телевизионных экранах, но для точных приложений это может быть существенным недостатком.
Теперь группа химиков из Массачусетского технологического института придумала способ контролировать это нежелательное мигание, не требуя каких-либо изменений в рецептуре или производственном процессе. Путем запуска луча лазера среднего инфракрасного диапазона в течение бесконечно малого момента — нескольких триллионных долей секунды — мерцание квантовой точки устраняется на относительно длительный период, в десятки миллиардов раз дольше, чем лазерный импульс.
Новая техника описана в статье, опубликованной сегодня в журнале Nature Nanotechnology , докторантами Цзяоцзяном Ши, Вэйвэй Суном и Хендриком Утзатом, профессорами химии Китом Нельсоном и Мунги Бавенди, а также пятью другими учеными из Массачусетского технологического института.
Квантовые точки — это крошечные частицы, всего несколько нанометров в поперечнике, 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 прежний уровень, высвобождается энергия 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 квантовых информационных устройств.
Феномен мерцания впервые наблюдался в 1990-х годах, вскоре после создания квантовых точек. «С тех пор, — говорит Бавенди, — я проводил презентации [о квантовых точках], и люди говорили: «Просто уберите это!» Таким образом, было приложено много усилий, чтобы попытаться устранить его, создав интерфейс между точкой и ее окружением или добавив другие молекулы. Но ни одна из этих вещей не работала хорошо и не была воспроизводимой».
«Мы знаем, что для некоторых приложений квантовой информации нам нужен идеальный источник однофотонного излучателя», — объясняет Сан. Но с доступными в настоящее время квантовыми точками, которые в противном случае могли бы хорошо подходить для таких приложений, «они будут включаться случайным образом, и это на самом деле вредно для любого из приложений, использующих фотолюминесценцию точек».
Но теперь, по ее словам, благодаря исследованиям команды, «мы используем эти сверхбыстрые импульсы среднего инфракрасного диапазона, 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 прерывистости».
Точно так же для приложений биомедицинских исследований необходимо устранить моргание, говорит Ши. «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 молекулы этих лекарств интернализуются в клетке и где в субклеточных органеллах они заканчиваются». По его словам, это может привести к более эффективным процессам поиска лекарств, «но если квантовые точки начнут часто мигать, вы практически потеряете из виду, где находится молекула».
Нельсон, профессор химии Хаслама и Дьюи, объясняет, что причина явления мерцания, вероятно, связана с дополнительными электрическими зарядами, такими как дополнительные электроны, прикрепляющимися к внешней части квантовых точек, изменяя свойства поверхности так, что есть и другие альтернативные пути высвобождения дополнительной энергии вместо испускания света.
«В реальной среде могут происходить разные вещи, — говорит Нельсон, — например, к квантовой точке может прилипнуть электрон где-то на поверхности». Вместо того, чтобы быть электрически нейтральной, квантовая точка теперь имеет суммарный заряд, и хотя она все еще может вернуться в свое основное состояние, испустив 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.
Но при ударе вспышкой среднего инфракрасного света дополнительные заряды, как правило, сбиваются с поверхности, позволяя квантовым точкам производить стабильное излучение и прекращать мигание.
Оказывается, говорит Утзат, что это «очень общий процесс», который может оказаться полезным для борьбы с аномальной перемежаемостью в некоторых других устройствах, например, в так называемых азотных вакансионных центрах в алмазе, которые используются в настоящее время. для микроскопии сверхвысокого разрешения и как источники одиночных фотонов в оптических квантовых технологиях. «Несмотря на то, что мы продемонстрировали это только для одного вида рабочего материала, квантовой точки, я считаю, что мы можем применить этот метод к другим излучателям», — говорит он. «Я думаю, что фундаментальный эффект 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 к коммерческому применению. По его словам, тот же принцип можно распространить и на терагерцовые частоты, область, которая находится в стадии разработки в его лаборатории и других, и которая в принципе может привести к гораздо меньшим и менее дорогим устройствам.
В исследовательскую группу также входили Ардаван Фарахваш, Фрэнк Гао, Чжуцюань Чжан, Улугбек Баротов и Адам Уиллард, все из Массачусетского технологического института. Работа была поддержана Исследовательской лабораторией армии США и Исследовательским бюро армии США через Институт солдатских нанотехнологий, Министерство энергетики США и Глобальную программу поддержки Samsung.
ДОЛЯЭТА НОВОСТНАЯ СТАТЬЯ О:
ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ
ПОХОЖИЕ ТЕМЫ
- Квантовые точки
- Исследовательская работа
- Химия
- Нанонаука и нанотехнологии
- Школа наук
- Национальный научный фонд (NSF)