Un team internazionale di ricercatori dell'ETH di Zurigo, IBM Research Zurigo, L'Empa e quattro istituti di ricerca americani hanno trovato la spiegazione del perché una classe di nanocristalli che è stata intensamente studiata negli ultimi anni risplenda di colori così incredibilmente brillanti. I nanocristalli contengono composti di alogenuro di piombo di cesio che sono disposti in una struttura reticolare di perovskite.

Tre anni fa, Maksym Kovalenko, professore all'ETH di Zurigo e all'Empa, riuscito a creare nanocristalli - o punti quantici, come sono anche conosciuti - da questo materiale semiconduttore. "Questi minuscoli cristalli hanno dimostrato di essere sorgenti luminose estremamente luminose e ad emissione rapida, più luminoso e più veloce di qualsiasi altro tipo di punto quantico studiato finora, " dice Kovalenko. Variando la composizione degli elementi chimici e la dimensione delle nanoparticelle, riuscì anche a produrre una varietà di nanocristalli che si illuminano nei colori dell'intero spettro visibile. Questi punti quantici vengono quindi trattati anche come componenti per futuri diodi e display a emissione di luce.

In uno studio pubblicato nell'ultima edizione della rivista scientifica Natura , il team di ricerca internazionale ha esaminato questi nanocristalli individualmente e in modo molto dettagliato. Gli scienziati sono stati in grado di confermare che i nanocristalli emettono luce in modo estremamente rapido. I punti quantici precedentemente studiati emettono tipicamente luce circa 20 nanosecondi dopo essere stati eccitati a temperatura ambiente, che è già molto veloce. "Però, i punti quantici di alogenuro di piombo di cesio emettono luce a temperatura ambiente dopo appena un nanosecondo, " spiega Michael Becker, primo autore dello studio. È uno studente di dottorato all'ETH di Zurigo e sta portando avanti il ​​suo progetto di dottorato presso IBM Research.

Coppia elettrone-lacuna in uno stato energetico eccitato

Capire perché i punti quantici di alogenuro di piombo di cesio non sono solo veloci ma anche molto luminosi implica immergersi nel mondo dei singoli atomi, particelle leggere (fotoni) ed elettroni. "Puoi usare un fotone per eccitare i nanocristalli semiconduttori in modo che un elettrone lasci il suo posto originale nel reticolo cristallino, lasciando dietro di sé un buco, " spiega David Norris, Professore di Ingegneria dei materiali all'ETH di Zurigo. Il risultato è una coppia elettrone-lacuna in uno stato energetico eccitato. Se la coppia elettrone-lacuna ritorna al suo stato energetico fondamentale, la luce viene emessa.

A determinate condizioni, sono possibili diversi stati energetici eccitati; in molti materiali, il più probabile di questi stati è chiamato oscuro. "In uno stato così oscuro, la coppia di lacune elettroniche non può tornare immediatamente al suo stato energetico fondamentale e quindi l'emissione di luce viene soppressa e si verifica ritardata. Questo limita la luminosità", dice Rainer Mahrt, uno scienziato presso IBM Research.

Nessuno stato oscuro

I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che i punti quantici di alogenuro di cesio piombo differiscono dagli altri punti quantici:il loro stato energetico più probabilmente eccitato non è uno stato oscuro. È molto più probabile che le coppie elettrone-lacuna eccitate si trovino in uno stato in cui possono emettere luce immediatamente. "Questo è il motivo per cui brillano così intensamente, "dice Norris.

I ricercatori sono giunti a questa conclusione utilizzando i loro nuovi dati sperimentali e con l'aiuto del lavoro teorico condotto da Alexander Efros, un fisico teorico presso il Naval Research Laboratory di Washington. È un pioniere nella ricerca sui punti quantici e, 35 anni fa, è stato tra i primi scienziati a spiegare come funzionano i punti quantici dei semiconduttori tradizionali.

Grandi notizie per la trasmissione dei dati

Poiché i punti quantici di alogenuro di piombo di cesio esaminati non sono solo luminosi ma anche economici da produrre, potrebbero essere applicati nei display televisivi, con gli sforzi intrapresi da diverse società, in Svizzera e nel mondo. "Anche, poiché questi punti quantici possono emettere rapidamente fotoni, sono di particolare interesse per l'uso nella comunicazione ottica all'interno di data center e supercomputer, dove veloce, componenti piccoli ed efficienti sono centrali, " afferma Mahrt. Un'altra applicazione futura potrebbe essere la simulazione ottica di sistemi quantistici che è di grande importanza per la ricerca fondamentale e la scienza dei materiali.

Anche il professore dell'ETH Norris è interessato a utilizzare le nuove conoscenze per lo sviluppo di nuovi materiali. "Poiché ora capiamo perché questi punti quantici sono così luminosi, possiamo anche pensare di ingegnerizzare altri materiali con proprietà simili o addirittura migliori, " lui dice.