Nuove intuizioni sulle cellule viventi, videoproiettori più luminosi e test medici più accurati sono solo tre delle innovazioni che potrebbero derivare da un nuovo modo di fabbricare i laser.

Il nuovo metodo, sviluppato da un team di ricerca internazionale di U of T Engineering, Università di Vanderbilt, il Laboratorio Nazionale di Los Alamos e altri, produce una luce laser continua più luminosa, meno costoso e più sintonizzabile rispetto ai dispositivi attuali utilizzando nanoparticelle note come punti quantici.

"Lavoriamo con i punti quantici da più di un decennio, "dice Ted Sargent, un professore del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica di Edward S. Rogers Sr. presso l'Università di T. "Sono più di cinquemila volte più piccoli della larghezza di un capello umano, che consente loro di cavalcare i mondi della fisica quantistica e classica e conferisce loro utili proprietà ottiche".

"I punti quantici sono noti emettitori di luce intensa, "dice Alex Voznyy, un ricercatore associato senior nel laboratorio di Sargent. "Possono assorbire molta energia e riemetterla a una particolare frequenza, che li rende un materiale particolarmente adatto per i laser."

Controllando attentamente la dimensione dei punti quantici, i ricercatori nel laboratorio di Sargent possono "sintonizzare" la frequenza, o colore, della luce emessa a qualsiasi valore desiderato. Al contrario, la maggior parte dei laser commerciali è limitata a una frequenza specifica, o una gamma molto piccola, definita dai materiali di cui è composta.

La capacità di produrre un laser di qualsiasi frequenza desiderata da un singolo materiale darebbe una spinta agli scienziati che desiderano studiare le malattie a livello dei tessuti o delle singole cellule offrendo nuovi strumenti per sondare le reazioni biochimiche. Potrebbero anche abilitare proiettori con display laser che sarebbero più luminosi e più efficienti dal punto di vista energetico rispetto all'attuale tecnologia LCD.

Ma sebbene la capacità dei punti quantici colloidali di produrre luce laser sia stata dimostrata per la prima volta dal coautore Victor Klimov e dal suo team al Los Alamos National Laboratory più di 15 anni fa, l'applicazione commerciale è rimasta sfuggente. Un problema chiave è stato che fino ad ora, la quantità di luce necessaria per eccitare i punti quantici per produrre luce laser è stata molto alta.

"Devi stimolare il laser usando sempre più potenza, ma ci sono anche molte perdite di riscaldamento, " dice Voznyy. "Alla fine diventa così caldo che brucia." La maggior parte dei laser a punti quantici sono limitati a impulsi di luce che durano solo pochi nanosecondi, miliardesimi di secondo.

Il gruppo, che includeva Voznyy, i ricercatori postdottorato Fengjia Fan e Randy Sabatini e il candidato al MASc Kris Bicanic, superato questo problema modificando la forma dei punti quantici, piuttosto che la loro dimensione. Sono stati in grado di creare punti quantici con un nucleo sferico e un guscio a forma di birillo, un M&M o un disco volante, una forma sferica "schiacciata" nota come sferoide oblato.

Il disallineamento tra la forma del nucleo e il guscio introduce una tensione che colpisce gli stati elettronici del punto quantico, abbassando la quantità di energia necessaria per attivare il laser. Come riportato in un articolo pubblicato oggi in Natura , l'innovazione significa che i punti quantici non sono più in pericolo di surriscaldamento, in modo che il laser risultante possa sparare continuamente.

Mentre i punti quantici sono spesso costruiti depositando molecole una alla volta nel vuoto, Il team di Sargent mescola soluzioni liquide che contengono vari precursori di punti quantici. Quando le soluzioni reagiscono, producono punti quantici solidi che rimangono sospesi nel liquido:questi sono noti come punti quantici colloidali. L'innovazione chiave del team è stata l'aggiunta di molecole di incappucciamento specifiche nella miscela, che ha permesso loro di controllare la forma delle particelle per ottenere le proprietà desiderate, un approccio che Fan chiama "chimica intelligente".

"L'elaborazione basata sulla soluzione riduce notevolmente il costo della creazione di punti quantici, ", afferma Fan. "Semplificherà anche l'aumento della produzione, perché possiamo utilizzare tecniche già consolidate nel settore della stampa."

Il progetto ha coinvolto numerosi partner nazionali e internazionali. Le simulazioni al computer in collaborazione con l'Università di Ottawa e il Consiglio nazionale delle ricerche hanno guidato la progettazione dei punti quantici. Test analitici dell'Institute of Nanoscale Science and Engineering di Vanderbilt a Nashville, TN, così come il Centro per i materiali ad alta tecnologia dell'Università del New Mexico ad Albuquerque, NM e Los Alamos hanno confermato che i prodotti finali avevano la forma desiderata, composizione e comportamento analizzando i singoli punti quantici a livello atomico.

"Siamo rimasti colpiti non solo dalla struttura ingegneristica in sé, ma anche dal livello di uniformità che hanno raggiunto, "dice Sandra Rosenthal, direttore del Vanderbilt Institute for Nanoscale Science and Engineering. "Il team di Sargent è riuscito a creare punti quantici con una struttura unica ed elegante. Questa è una ricerca entusiasmante".

Il team ha più lavoro da fare prima di poter pensare alla commercializzazione. "Per questo dispositivo proof-of-concept, stiamo eccitando i punti quantici con la luce, "dice Sabatini. "In definitiva, vogliamo passare ad eccitarli con l'elettricità. Vogliamo anche aumentare la potenza a milliwatt o addirittura watt. Se possiamo farlo, allora diventa importante per la proiezione laser."