Con la sua promessa di computer superveloci e microscopi ottici ultrapotenti tra le tante possibilità, la plasmonica è diventata uno dei campi più caldi dell'alta tecnologia. Però, ad oggi le proprietà plasmoniche sono state limitate a nanostrutture che presentano interfacce tra metalli nobili e dielettrici. Ora, i ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno dimostrato che le proprietà plasmoniche possono essere ottenute anche nei nanocristalli semiconduttori noti come punti quantici. Questa scoperta dovrebbe rendere ancora più caldo il campo della plasmonica.

"Abbiamo dimostrato risonanze plasmoniche di superficie localizzate ben definite derivanti da portatori di tipo p in punti quantici di semiconduttori drogati per vacanza che dovrebbero consentire il rilevamento plasmonico e la manipolazione di processi allo stato solido in singoli nanocristalli, ", afferma il direttore del Berkeley Lab Paul Alivisatos, un'autorità di nanochimica che ha guidato questa ricerca. "I nostri punti quantici di semiconduttori drogati aprono anche la possibilità di accoppiare fortemente le proprietà fotoniche ed elettroniche, con implicazioni per la raccolta leggera, ottica non lineare, e l'elaborazione delle informazioni quantistiche".

Alivisatos è l'autore corrispondente di un articolo sulla rivista Materiali della natura intitolato "Risonanze plasmoniche di superficie localizzate derivanti da portatori liberi in punti quantici drogati". I co-autori dell'articolo erano Joseph Luther e Prashant Jain, insieme a Trevor Ewers.

Il termine "plasmonica" descrive un fenomeno in cui il confinamento della luce in dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda dei fotoni nello spazio libero consente di abbinare le diverse scale di lunghezza associate alla fotonica e all'elettronica in un unico dispositivo su scala nanometrica. Gli scienziati ritengono che attraverso la plasmonica dovrebbe essere possibile progettare interconnessioni di chip per computer in grado di spostare quantità di dati molto più grandi molto più velocemente dei chip di oggi. Dovrebbe anche essere possibile creare lenti per microscopi in grado di risolvere oggetti su scala nanometrica con luce visibile, una nuova generazione di diodi emettitori di luce ad alta efficienza, e rivelatori chimici e biologici supersensibili. Ci sono anche prove che i materiali plasmonici possono essere usati per piegare la luce attorno a un oggetto, rendendo così quell'oggetto invisibile.

Il fenomeno plasmonico è stato scoperto in nanostrutture alle interfacce tra un metallo nobile, come oro o argento, e un dielettrico, come aria o vetro. Dirigere un campo elettromagnetico su una tale interfaccia genera onde di superficie elettroniche che rotolano attraverso gli elettroni di conduzione su un metallo, come increspature che si estendono sulla superficie di uno stagno che è stato abbattuto con una pietra. Proprio come l'energia in un campo elettromagnetico è trasportata in un'unità quantizzata simile a una particella chiamata fotone, l'energia in tale onda di superficie elettronica è trasportata in un'unità quantizzata simile a una particella chiamata plasmone. La chiave per le proprietà plasmoniche è quando la frequenza di oscillazione tra i plasmoni e i fotoni incidenti corrisponde, un fenomeno noto come risonanza plasmonica superficiale localizzata (LSPR). La saggezza scientifica convenzionale ha ritenuto che gli LSPR richiedono una nanostruttura metallica, dove gli elettroni di conduzione non sono fortemente attaccati a singoli atomi o molecole. Questo ha dimostrato di non essere il caso di Prashant Jain, un membro del gruppo di ricerca Alivisatos e uno dei principali autori del documento Nature Materials, spiega.

"Il nostro studio rappresenta un cambiamento di paradigma rispetto alla nanoplasmonica metallica, poiché abbiamo dimostrato che, in linea di principio, qualsiasi nanostruttura può esibire LSPR purché l'interfaccia abbia un numero apprezzabile di vettori gratuiti, o elettroni o lacune, " Dice Jain. "Dimostrando LSPR in punti quantici drogati, abbiamo ampliato la gamma di materiali candidati per la plasmonica per includere semiconduttori, e abbiamo anche unito il campo delle nanostrutture plasmoniche, che esibiscono proprietà fotoniche sintonizzabili, con il campo dei punti quantici, che esibiscono proprietà elettroniche sintonizzabili."

Jain e i suoi coautori hanno ricavato i loro punti quantici dal solfuro di rame semiconduttore, un materiale noto per supportare numerose stechiometrie carenti di rame. Inizialmente, i nanocristalli di solfuro di rame sono stati sintetizzati utilizzando un comune metodo di iniezione a caldo. Mentre questo ha prodotto nanocristalli che erano intrinsecamente autodrogati con portatori di carica di tipo p, non vi era alcun controllo sull'importo dei posti vacanti o dei vettori.

"Siamo stati in grado di superare questa limitazione utilizzando un metodo di scambio ionico a temperatura ambiente per sintetizzare i nanocristalli di solfuro di rame, " dice Jain. "Questo congela i nanocristalli in uno stato relativamente libero da posti vacanti, che possiamo poi drogare in maniera controllata utilizzando comuni ossidanti chimici."

Introducendo un numero sufficiente di vettori di carica elettrica gratuiti tramite droganti e posti vacanti, Jain ei suoi colleghi sono stati in grado di ottenere LSPR nella gamma del vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico. L'estensione della plasmonica ai semiconduttori oltre che ai metalli offre una serie di vantaggi significativi, come spiega Jain.

"A differenza di un metallo, la concentrazione di portatori di carica gratuita in un semiconduttore può essere controllata attivamente dal doping, temperatura, e/o transizioni di fase, ", dice. "Pertanto, la frequenza e l'intensità degli LSPR in
i punti quantici dopabili possono essere sintonizzati dinamicamente. Gli LSPR di un metallo, d'altra parte, una volta ingegnerizzato attraverso una scelta di parametri di nanostruttura, come forma e dimensione, è permanentemente bloccato."

Jain immagina i punti quantici come integrati in una varietà di film futuri e dispositivi fotonici basati su chip che possono essere attivati ​​o controllati, e anche essere applicato a tali applicazioni ottiche come l'imaging in vivo. Inoltre, il forte accoppiamento che è possibile tra modalità fotonica ed elettronica in tali punti quantici drogati ha un potenziale entusiasmante per le applicazioni nel solare fotovoltaico e nella fotosintesi artificiale

"Nei sistemi fotovoltaici e fotosintetici artificiali, la luce deve essere assorbita e incanalata per generare elettroni e lacune energetici, che può quindi essere utilizzato per produrre elettricità o carburante, " dice Jain. "Per essere efficiente, è altamente desiderabile che tali sistemi mostrino una maggiore interazione della luce con gli eccitoni. Questo è ciò che potrebbe ottenere un punto quantico drogato con una modalità LSPR".

Il potenziale per modalità elettroniche e fotoniche fortemente accoppiate nei punti quantici drogati deriva dal fatto che i punti quantici dei semiconduttori consentono eccitazioni elettroniche quantizzate (eccitoni), mentre gli LSPR servono a localizzare o confinare fortemente la luce di frequenze specifiche all'interno del punto quantico. Il risultato è un'interazione eccitone-luce migliorata. Poiché la frequenza LSPR può essere controllata modificando il livello di doping, e gli eccitoni possono essere sintonizzati dal confinamento quantistico, dovrebbe essere possibile progettare punti quantici drogati per raccogliere le frequenze di luce più ricche nello spettro solare.

La plasmonica dei punti quantici offre anche interessanti possibilità per i futuri dispositivi di comunicazione e calcolo quantistici.

"L'uso di singoli fotoni, sotto forma di plasmoni quantizzati, consentirebbe ai sistemi quantistici di inviare informazioni quasi alla velocità della luce, rispetto alla velocità e resistenza degli elettroni nei sistemi classici, " Jain dice. "Doppiare punti quantici fornendo eccitoni quantizzati e LSPR fortemente accoppiati e all'interno della stessa nanostruttura potrebbe servire come fonte di singoli plasmoni".

Jain e altri nel gruppo di ricerca di Alivsatos stanno ora studiando il potenziale dei punti quantici drogati realizzati con altri semiconduttori, come il seleniuro di rame e il tellururo di germanio, che mostrano anche risonanze plasmoniche o fotoniche sintonizzabili. Il tellururo di germanio è di particolare interesse perché ha proprietà di cambiamento di fase utili per i dispositivi di memorizzazione.

"Un obiettivo a lungo termine è generalizzare i fenomeni plasmonici a tutti i punti quantici drogati, se fortemente auto-drogato o estrinsecamente drogato con relativamente poche impurità o posti vacanti, " dice Giain.