Gli scienziati della National Research Nuclear University MEPhI (MEPhI) hanno dimostrato un aumento dell'intensità e del tasso di emissione dei punti quantici. Secondo gli autori dello studio, lo sviluppo potrebbe aiutare a risolvere uno dei problemi chiave nella creazione di un computer quantistico e ad elevare il monitoraggio biomedico a un nuovo livello. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in Ottica Express .

I punti quantici sono nanostrutture fluorescenti a bassa dimensione che offrono promesse nel campo dell'interazione luce-materia. Sono in grado di assorbire un'ampia gamma di luce ed emettere luce in una gamma ristretta di lunghezze d'onda, che dipende dalla dimensione del nanocristallo; questo è, l'uno o l'altro punto quantico si illumina di un certo colore. Queste proprietà rendono i punti quantici quasi perfetti per la registrazione multicolore ultrasensibile di oggetti biologici, anche per la diagnostica medica.

I punti quantici possono essere utilizzati in una vasta gamma di aree, dai dispositivi di illuminazione e pannelli solari ai qubit per il calcolo quantistico. Sono migliori dei fosfori tradizionali in termini di fotostabilità e luminosità. I display a punti quantici possono fornire una luminosità molto più elevata, contrasto e consumo energetico inferiore rispetto ad altre tecnologie.

Ricercatori del Laboratorio di Nano-Bioingegneria (LNBE) dell'Istituto di Fisica dell'Ingegneria per la Biomedicina, MEFI, sono stati i primi a dimostrare un aumento sia dell'intensità che del tasso di emissione spontanea dei punti quantici di semiconduttori nelle strutture fotoniche porose a base di silicio.

I risultati dello studio rappresentano un nuovo approccio al controllo dell'emissione di luce spontanea modificando l'ambiente elettromagnetico locale dei fosfori in una matrice porosa, che apre prospettive per nuove applicazioni nel biorilevamento, optoelettronica, crittografia e calcolo quantistico.

Prima di tutto, i nuovi sistemi possono servire come base per biosensori fluorescenti compatti sotto forma di test di immunoassorbimento enzimatico, diffuso nella pratica clinica. L'utilizzo di punti quantici con fluorescenza potenziata da cristalli fotonici aumenterà significativamente la sensibilità dell'analisi, rendendo possibile la diagnosi precoce della malattia, quando il numero di biomarcatori della malattia nel sangue del paziente è basso. Faciliterà inoltre il monitoraggio del trattamento del paziente.

Inoltre, lo sviluppo può servire come base per computer ottici o sistemi crittografici, sostituendo ingombranti sorgenti di singoli fotoni o elementi logici ottici. Oltre alla compattezza e alla semplicità, l'utilizzo dei nuovi sistemi in quest'area consentirà di risolvere uno dei problemi chiave del settore:la produzione su richiesta di fotoni singoli o quantistici entangled, che oggi è quasi impossibile.

I fotoni entangled, una coppia di particelle in stati quantistici correlati, svolgono un ruolo chiave nella fisica moderna. Senza coppie impigliate, è quasi impossibile implementare la comunicazione quantistica e il teletrasporto quantistico, oltre a costruire computer quantistici connessi a Internet quantistica. Se viene creato il computer quantistico, i principi di tutta una serie di aree:modellistica molecolare, crittografia, intelligenza artificiale, potrebbe cambiare completamente.

Gli scienziati MEPhI sono riusciti a ottenere il risultato grazie all'utilizzo di una profonda ossidazione dei cristalli fotonici, che ha permesso di sopprimere l'estinzione della luminescenza, oltre a ridurre la perdita di energia per assorbimento.

"Per migliorare la luminescenza di tali strutture, vengono utilizzati vari metodi, tra i quali l'utilizzo di cristalli fotonici è di particolare interesse. Variazioni periodiche dell'indice di rifrazione del cristallo fotonico consentono di ottenere un aumento locale della densità degli stati fotonici, a causa della quale si osserva un aumento dell'intensità dei fosfori e del tasso di emissione spontanea, "Pavel Samokhvalov, un ricercatore presso LNBE MEPhI, disse.

Per produrre cristalli fotonici, il silicio poroso è ampiamente usato, che è abbastanza diverso da altri materiali per la possibilità di controllare con precisione l'indice di rifrazione, facilità di fabbricazione, e capacità di assorbimento.

Però, fino ad ora, i ricercatori non sono riusciti ad aumentare il tasso di rilassamento radiativo dei fosfori nei cristalli fotonici di silicio poroso a causa della significativa estinzione della luminescenza al contatto con la superficie del silicio.