I ricercatori SLAC e Stanford hanno effettuato le prime osservazioni su scala atomica su come i nanocristalli noti come punti quantici perdono la loro efficienza di produzione di luce quando vengono eccitati con luce intensa. I punti erano eccitati dalla luce verde (in alto) o dalla luce viola ad alta energia (in basso), e gli scienziati li hanno osservati rispondere con una "fotocamera elettronica, " MeV-UED. Quando viene colpito da una luce verde, i punti si sono rilassati, e coppie eccitate di elettroni e lacune convertono praticamente tutta l'energia in entrata in luce. Ma quando viene colpito dalla luce viola, parte dell'energia era intrappolata sulla superficie del punto; questo distorceva la disposizione degli atomi circostanti e sprecava energia sotto forma di calore. I risultati hanno ampie implicazioni per lo sviluppo di future tecnologie quantistiche e fotoniche in cui la luce sostituisce gli elettroni nei computer ei fluidi nei frigoriferi. Credito:B. Guzelturk et al., Comunicazioni sulla natura, 25 marzo 2021
I luminosi nanocristalli semiconduttori noti come punti quantici conferiscono agli schermi TV QLED i loro colori vivaci. Ma i tentativi di aumentare l'intensità di quella luce generano invece calore, riducendo l'efficienza di produzione della luce dei punti.
Un nuovo studio spiega perché, e i risultati hanno ampie implicazioni per lo sviluppo di future tecnologie quantistiche e fotoniche in cui la luce sostituisce gli elettroni nei computer e i fluidi nei frigoriferi, Per esempio.
In uno schermo TV QLED, i punti assorbono la luce blu e la trasformano in verde o rossa. Alle basse energie dove operano gli schermi TV, questa conversione della luce da un colore all'altro è praticamente efficiente al 100%. Ma alle energie di eccitazione più elevate richieste per schermi più luminosi e altre tecnologie, l'efficienza cala bruscamente. I ricercatori avevano teorie sul perché questo accade, ma nessuno lo aveva mai osservato su scala atomica fino ad ora.
Scoprire di più, gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno utilizzato una "fotocamera elettronica" ad alta velocità per osservare i punti trasformare la luce laser ad alta energia in ingresso nelle proprie emissioni di luce incandescente.
Gli esperimenti hanno rivelato che la luce laser ad alta energia in arrivo espelle gli elettroni dagli atomi del punto, e i loro fori corrispondenti - punti vuoti con cariche positive che sono libere di muoversi - rimangono intrappolati sulla superficie del punto, producendo calore di scarto indesiderato.
Inoltre, elettroni e lacune si ricombinano in un modo che emette ulteriore energia termica. Questo aumenta il tremolio degli atomi del punto, deforma la sua struttura cristallina e spreca ancora più energia che avrebbe potuto impiegare per rendere i punti più luminosi.
"Questo rappresenta un modo chiave in cui l'energia viene aspirata dal sistema senza dare origine alla luce, " ha detto Aaron Lindenberg, un professore associato della Stanford University e ricercatore presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences presso SLAC che ha guidato lo studio con il ricercatore post-dottorato Burak Guzelturk.
"Cercare di capire cosa sta alla base di questo processo è stato oggetto di studio per decenni, " ha detto. "Questa è la prima volta che possiamo vedere cosa stanno effettivamente facendo gli atomi mentre l'energia dello stato eccitato viene persa sotto forma di calore".
Il gruppo di ricerca, che includeva scienziati dello SLAC, Stanford, l'Università della California, Berkeley e il Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE, descritto i risultati in Comunicazioni sulla natura oggi.
Emettendo un puro, bagliore brillante
Nonostante le loro piccole dimensioni, hanno circa lo stesso diametro di quattro filamenti di DNA, i nanocristalli di punti quantici sono sorprendentemente complessi e altamente ingegnerizzati. Emettono una luce estremamente pura il cui colore può essere regolato regolandone le dimensioni, forma, composizione e chimica di superficie. I punti quantici utilizzati in questo studio sono stati inventati più di due decenni fa, e oggi sono ampiamente usati in brillante, display ad alta efficienza energetica e negli strumenti di imaging per la biologia e la medicina.
Comprendere e risolvere i problemi che impediscono di rendere i punti più efficienti a energie più elevate è un campo di ricerca molto caldo in questo momento, disse Guzelturk, che ha condotto esperimenti allo SLAC con il ricercatore post-dottorato Ben Cotts.
Studi precedenti si erano concentrati su come si comportavano gli elettroni dei punti. Ma in questo studio, il team è stato in grado di vedere i movimenti di interi atomi, pure, con una camera elettronica nota come MeV-UED. Colpisce campioni con brevi impulsi di elettroni con energie molto elevate, misurata in milioni di elettronvolt (MeV). In un processo chiamato diffrazione elettronica ultraveloce (UED), gli elettroni si disperdono dal campione e nei rivelatori, creando modelli che rivelano ciò che stanno facendo sia gli elettroni che gli atomi.
Mentre il team SLAC/Stanford misurava il comportamento dei punti quantici che erano stati colpiti con varie lunghezze d'onda e intensità della luce laser, Gli studenti laureati della UC Berkeley Dipti Jasrasaria e John Philbin hanno lavorato con il chimico teorico di Berkeley Eran Rabani per calcolare e comprendere l'interazione risultante di moti elettronici e atomici da un punto di vista teorico.
"Ci siamo incontrati abbastanza spesso con gli sperimentatori, " Ha detto Rabani. "Sono venuti con un problema e abbiamo iniziato a lavorare insieme per capirlo. I pensieri andavano avanti e indietro, ma è stato tutto seminato dagli esperimenti, che è stato un grande passo avanti nella capacità di misurare cosa succede al reticolo atomico dei punti quantici quando è intensamente eccitato".
Un futuro di tecnologia basata sulla luce
Lo studio è stato condotto da ricercatori di un DOE Energy Frontier Research Center, Fotonica ai Limiti Termodinamici, guidata da Jennifer Dionne, un professore associato di scienza e ingegneria dei materiali di Stanford e vice rettore associato senior di piattaforme di ricerca/strutture condivise. Il suo gruppo di ricerca ha lavorato con il gruppo di Lindenberg per aiutare a sviluppare la tecnica sperimentale per sondare i nanocristalli.
L'obiettivo finale del centro, Dionne ha detto, è dimostrare processi fotonici, come l'assorbimento e l'emissione di luce, ai limiti di ciò che la termodinamica permette. Questo potrebbe portare a tecnologie come la refrigerazione, il riscaldamento, raffreddamento e accumulo di energia, oltre a computer quantistici e nuovi motori per l'esplorazione dello spazio, alimentati interamente dalla luce.
"Per creare cicli termodinamici fotonici, è necessario controllare con precisione la luce, calore, atomi, e gli elettroni interagiscono nei materiali, " Ha detto Dionne. "Questo lavoro è entusiasmante perché fornisce una lente senza precedenti sui processi elettronici e termici che limitano l'efficienza di emissione della luce. Le particelle studiate hanno già rese quantiche record, ma ora c'è un percorso verso la progettazione di materiali ottici quasi perfetti." Tali elevate efficienze di emissione di luce potrebbero aprire una serie di grandi applicazioni futuristiche, il tutto guidato da minuscoli punti sondati con elettroni ultraveloci.
