La capacità di investigare la dinamica della singola particella su scala nanometrica ea livello di femtosecondi è rimasta per anni un sogno insondabile. Fu solo all'alba del 21° secolo che la nanotecnologia e la femtoscienza si fusero gradualmente e fu realizzata la prima microscopia ultraveloce di singoli punti quantici (QD) e molecole. Gli studi di microscopia ultraveloce si basano interamente sulla rilevazione di nanoparticelle o singole molecole con tecniche di luminescenza, che richiedono emettitori efficienti per funzionare. Però, tali tecniche causano il degrado del campione e forniscono poche informazioni sulla dinamica del sistema nello stato eccitato. Solo negli ultimi anni sono venuti alla ribalta gli sforzi per trovare una tecnica alternativa compatibile per studiare processi veloci nei nano-oggetti.

Ora, I ricercatori ICFO Lukasz Piatkowski, Nicolò Accanto, Gaëtan Calbris e Sotirios Christodoulou, guidato dal Prof ICREA Niek F. van Hulst, in collaborazione con Iwan Moreels (Università di Gent, Belgio), hanno pubblicato uno studio in Scienza dal titolo "Microscopia a emissione stimolata ultrarapida di singoli nanocristalli, " dove riportano su una tecnica per studiare eventi ultraveloci in singoli nano-oggetti non fluorescenti.

Nel loro studio, hanno preso QD individuali e invece di aspettare che il QD emetta spontaneamente luce attraverso la fotoluminescenza, il team ha utilizzato una sofisticata combinazione di impulsi laser per promuovere i singoli QD in uno stato eccitato e quindi, costringerli a scendere, torna allo stato fondamentale al primo:immagine QD individuali e secondo:discernere l'evoluzione delle cariche eccitate all'interno dell'intero fotociclo.

Il dott. Lukasz Piatkowski spiega perché hanno utilizzato una coppia di impulsi laser per visualizzare efficacemente la dinamica dei QD:"È come lanciare una palla in un albero; più in alto la lanci, più eccitato lo stato. Il primo impulso laser del sistema (fotone) lancia la prima pallina (carica nel QD) nell'albero. Se stai usando una tecnica di fotoluminescenza è come se fossi in piedi sotto l'albero, e non puoi vedere cosa sta succedendo all'interno della cima dell'albero o della corona. Così, non saprai se la palla inizia a rimbalzare sui rami, dove, quando e come inizia a cadere, se si ferma con qualcosa in arrivo, se rimane impigliato in un ramo intermedio, ecc. Quindi, per vedere cosa sta succedendo con la prima palla, devi trovare un'altra tecnica che ti permetta di guardare nella cima degli alberi. La tecnica che abbiamo usato ci ha permesso di lanciare una seconda palla nella parte superiore dell'albero (secondo impulso laser che interagisce con il QD) per far cadere la prima palla. Lanciare la seconda palla più in alto o più in basso, più forte o più debole, prima o poi dopo la prima palla, otteniamo informazioni sulla prima pallina e sulla struttura dell'albero (quanto tempo impiegano le palline a cadere, dove, come, eccetera.)."

Nel loro esperimento, il primo impulso laser porta il QD individuale allo stato di eccitazione. Quindi, ogni poche centinaia di femtosecondi, hanno sparato un secondo impulso laser sul QD per portare le cariche allo stato fondamentale, inducendo la ricombinazione e l'emissione di un fotone in più. Quindi, per ogni fotone della sonda che hanno sparato nel sistema, hanno recuperato due fotoni gemelli. Questi fotoni extra hanno permesso agli autori non solo di visualizzare i QD ma anche di tracciare con precisione l'evoluzione delle cariche eccitate nel QD, svelando quante cariche hanno subito ricombinazione spontanea, ricombinazione stimolata e assorbimento dello stato eccitato.

Essere in grado di tracciare cariche eccitate su scala nanometrica è di fondamentale importanza nelle nanotecnologie, fotonica e fotovoltaico. I risultati dello studio hanno dimostrato che la microscopia a emissione stimolata ultraveloce può essere utilizzata per studiare i processi ultraveloci in singole particelle cromoforiche che altrimenti non sarebbero rilevabili tramite tecniche di fluorescenza/fotoluminescenza. In altre parole, tale studio ha consentito l'imaging e lo studio della dinamica di nanoparticelle e strutture senza la necessità di etichette fluorescenti esterne.

Come osserva il Prof ICREA presso ICFO Niek van Hulst, "In futuro sono attesi progressi significativi nel campo delle tecniche di imaging a nanoregime ultrarapido. Il primo rilevamento di punti quantici utilizzando questo approccio è stato eccezionale. Ora puntiamo a estenderlo a molecole e complessi biomolecolari, in particolare complessi fotosintetici. Attualmente stiamo lavorando su schemi a 3 e 4 impulsi per unire l'emissione stimolata e il rilevamento della luminescenza di singoli sistemi con la spettroscopia 2-D".