La ricerca collaborativa a Notre Dame ha dimostrato che le interazioni elettroniche svolgono un ruolo significativo nel crossover dimensionale dei nanomateriali semiconduttori. Il laboratorio di Masaru Kuno, professore di chimica e biochimica, e il gruppo di teoria della materia condensata di Boldizsár Jankó, professore di fisica, hanno ora dimostrato che una scala di lunghezza critica segna la transizione tra una dimensione zero, punto quantico e un nanofilo unidimensionale.
Le scoperte, "Crossover dimensionale nelle nanostrutture di semiconduttori, " sono stati pubblicati in Comunicazioni sulla natura . Autori della pubblicazione sono anche Matthew P. McDonald e Rusha Chatterjee del laboratorio di Kuno e Jixin Si del gruppo di Jankó.
Una struttura a punti quantici possiede le stesse dimensioni fisiche in ogni direzione mentre un filo quantico mostra una dimensione più lunga delle altre. Ciò significa che i punti quantici e i nanofili realizzati con lo stesso materiale mostrano risposte ottiche ed elettriche diverse su scala nanometrica poiché queste proprietà dipendono in modo squisito dalle dimensioni e dalla forma. La comprensione dell'evoluzione dipendente dalle dimensioni e dalla forma delle proprietà dei nanomateriali è stata quindi un obiettivo centrale della nanoscienza negli ultimi due decenni. Però, non è mai stato stabilito in modo definitivo come un punto quantico si evolva in un nanofilo man mano che il suo rapporto di aspetto viene reso progressivamente più grande. Le proprietà quantistiche si evolvono gradualmente o cambiano improvvisamente?
Il laboratorio di Kuno ha scoperto che esiste una lunghezza critica in cui un punto quantico diventa simile a un nanofilo. I ricercatori hanno raggiunto questa svolta conducendo il primo diretto, misure di assorbimento di singole particelle su singoli nanotubi di semiconduttore, una specie intermedia tra punti quantici e nanofili. Per evitare gli effetti delle disomogeneità del campione, sono state utilizzate misurazioni di singole particelle anziché di insieme. Per di più, è stato impiegato un approccio di assorbimento piuttosto che un approccio di emissione spesso utilizzato per aggirare i limiti esistenti della moderna microscopia a singola particella basata sull'emissione, vale a dire, la sua restrizione all'osservazione di campioni altamente fluorescenti.
La scoperta segna un progresso significativo nella nostra comprensione della risposta meccanica quantistica dipendente dalle dimensioni e dalla forma delle nanostrutture di semiconduttori. "Tutti i libri di testo sullo stato solido o sui semiconduttori di livello introduttivo devono rivedere ciò che dicono sul crossover dimensionale, " ha detto Jankó. "Questo è un altro esempio in cui le interazioni rendono le cose completamente diverse". Kuno suggerisce che l'approccio di assorbimento a singola particella avanzato nello studio "ha effetti pratici, applicazioni del mondo reale, forse 40 anni lungo la strada." Gli esempi includono il rilevamento ultrasensibile generico e senza etichetta di specie chimiche e biomolecolari di fondamentale interesse nelle sfere della sicurezza nazionale e della salute pubblica.
Il gruppo di Kuno ha eseguito gli esperimenti che hanno portato alla scoperta mentre il gruppo di Jankó ha fornito supporto teorico.
