I punti quantici sono nanoparticelle artificiali di materiale semiconduttore comprendenti solo poche migliaia di atomi. A causa del piccolo numero di atomi, le proprietà di un punto quantico si trovano tra quelle di singoli atomi o molecole e materiale sfuso con un numero enorme di atomi. Modificando le dimensioni e la forma delle nanoparticelle, è possibile mettere a punto le loro proprietà elettroniche e ottiche:come gli elettroni si legano e si muovono attraverso il materiale, e come la luce viene assorbita ed emessa da essa.

Grazie a un controllo sempre più raffinato della dimensione e della forma delle nanoparticelle, il numero di applicazioni commerciali è cresciuto. Quelli già disponibili includono laser, LED, e televisori con tecnologia a punti quantici.

Però, esiste un problema che può compromettere l'efficienza di dispositivi o apparecchiature che utilizzano questo nanomateriale come mezzo attivo. Quando la luce viene assorbita da un materiale, gli elettroni sono promossi a livelli energetici più elevati, e quando tornano al loro stato fondamentale, ognuno può emettere un fotone nell'ambiente. Nei punti quantici convenzionali il viaggio di ritorno dell'elettrone al suo stato fondamentale può essere disturbato da vari fenomeni quantistici, ritardare l'emissione di luce verso l'esterno.

L'imprigionamento degli elettroni in questo modo, noto come "stato oscuro, " ritarda l'emissione della luce, in contrasto con il percorso che consente loro di tornare rapidamente allo stato fondamentale e quindi di emettere luce in modo più efficiente e diretto ("stato luminoso").

Questo ritardo può essere più breve in una nuova classe di nanomateriali a base di perovskite, che sta suscitando un notevole interesse tra i ricercatori nel campo della scienza dei materiali.

Uno studio condotto da ricercatori degli Istituti di Chimica e Fisica dell'Università di Campinas (UNICAMP) nello stato di San Paolo, Brasile, in collaborazione con scienziati dell'Università del Michigan negli Stati Uniti, ha fatto passi da gigante in questa direzione fornendo nuove informazioni sulla fisica fondamentale dei punti quantici di perovskite. Un articolo sullo studio è pubblicato su Progressi scientifici .

"Abbiamo usato la spettroscopia coerente, che ci ha permesso di analizzare separatamente il comportamento degli elettroni in ciascun nanomateriale in un insieme di decine di miliardi di nanomateriali. Lo studio è innovativo in quanto combina una classe relativamente nuova di nanomateriali, la perovskite, con una tecnica di rilevamento completamente nuova, "Lazaro Padilha Junior, investigatore principale del progetto da parte brasiliana, ha detto ad Agência FAPESP.

FAPESP ha sostenuto lo studio tramite un Young Investigator Grant e un Regular Research Grant assegnato a Padilha.

"Siamo stati in grado di verificare l'allineamento energetico tra lo stato luminoso [associato alle triplette] e lo stato oscuro [associato alle singolette], indicando come questo allineamento dipenda dalla dimensione del nanomateriale. Abbiamo anche fatto scoperte riguardo alle interazioni tra questi stati, aprendo opportunità per l'uso di questi sistemi in altri campi della tecnologia, come le informazioni quantistiche, " disse Padilha.

"A causa della struttura cristallina della perovskite, il livello di energia luminosa si divide in tre, formando una tripletta. Ciò fornisce vari percorsi per l'eccitazione e per il ritorno degli elettroni allo stato fondamentale. Il risultato più eclatante dello studio è stato che analizzando le vite di ciascuno dei tre stati luminosi e le caratteristiche del segnale emesso dal campione abbiamo ottenuto la prova che lo stato oscuro è presente ma localizzato a un livello energetico superiore a due dei tre stati luminosi. Ciò significa che quando la luce viene riflessa sul campione, gli elettroni eccitati vengono intrappolati solo se occupano il livello luminoso più alto e vengono quindi spostati nello stato oscuro. Se occupano i livelli luminosi inferiori, ritornano allo stato fondamentale in modo più efficiente."

Per studiare come gli elettroni interagiscono con la luce in questi materiali, il gruppo ha utilizzato la spettroscopia coerente multidimensionale (MDCS), in cui una raffica di impulsi laser ultracorti (ciascuno della durata di circa 80 femtosecondi, o 80 quadrilionesimi di secondo) viene irradiato su un campione di perovskite raffreddato a meno 269 gradi Celsius.

"Gli impulsi irradiano il campione a intervalli strettamente controllati. Modificando gli intervalli e rilevando la luce emessa dal campione in funzione dell'intervallo, possiamo analizzare l'interazione elettrone-luce e la sua dinamica con elevata precisione temporale, mappare i tempi tipici di interazione, i livelli di energia con cui si accoppiano, e le interazioni con altre particelle, " disse Padilha.

La tecnica MDCS può essere utilizzata per analizzare miliardi di nanoparticelle contemporaneamente e per distinguere tra diverse famiglie di nanoparticelle presenti nel campione.

Il sistema sperimentale è stato sviluppato da un team guidato da Steven Cundiff, ricercatore principale per lo studio presso l'Università del Michigan. Alcune delle misurazioni sono state effettuate da Diogo Almeida, un ex membro del team di Cundiff e ora al laboratorio di spettroscopia ultraveloce di UNICAMP con una borsa di studio post-dottorato della FAPESP sotto la supervisione di Padilha.

I punti quantici sono stati sintetizzati da Luiz Gustavo Bonato, un dottorato di ricerca candidato presso l'Istituto di Chimica di UNICAMP. "La cura che Bonato ha avuto nel preparare i punti quantici e il suo protocollo sono stati di fondamentale importanza, come testimonia la loro qualità e dimensione, e dalle proprietà del materiale nanometrico, " disse Ana Flávia Nogueira, ricercatore co-principale per lo studio in Brasile. Nogueira è professore presso l'Istituto di chimica (IQ-UNICAMP) e ricercatore principale per la Divisione di ricerca 1 presso il Centro per l'innovazione nelle nuove energie (CINE), un Engineering Research Center (ERC) istituito da FAPESP e Shell.

"I risultati ottenuti sono molto importanti poiché la conoscenza delle proprietà ottiche del materiale e del comportamento dei suoi elettroni apre opportunità per lo sviluppo di nuove tecnologie nell'ottica e nell'elettronica dei semiconduttori. È molto probabile che l'incorporazione della perovskite sia la caratteristica più distintiva di la prossima generazione di televisori, " ha detto Nogueira.