I punti quantici, scoperti negli anni '90, hanno una vasta gamma di applicazioni e sono forse meglio conosciuti per la produzione di colori vividi in alcuni televisori di fascia alta. Ma per alcuni usi potenziali, come il monitoraggio dei percorsi biochimici di un farmaco mentre interagisce con le cellule viventi, il progresso è stato ostacolato da una caratteristica apparentemente incontrollabile:la tendenza a sbattere le palpebre a intervalli casuali. Non importa quando i punti vengono utilizzati in blocco, come negli schermi TV, ma per applicazioni di precisione può essere un notevole svantaggio.

Ora, un team di chimici del MIT ha escogitato un modo per controllare questo battito di ciglia indesiderato senza richiedere alcuna modifica alla formulazione o al processo di produzione. Emettendo un raggio di luce laser nel medio infrarosso per un momento infinitesimale, pochi trilionesimi di secondo, il lampeggio del punto quantico viene eliminato per un periodo relativamente lungo, decine di miliardi di volte più lungo dell'impulso laser.

La nuova tecnica è descritta in un articolo apparso sulla rivista Nature Nanotechnology , dai dottorandi Jiaojian Shi, Weiwei Sun e Hendrik Utzat, dai professori di chimica Keith Nelson e Moungi Bawendi e da altri cinque al MIT.

I punti quantici sono minuscole particelle, larghe solo pochi nanometri, fatte di materiale semiconduttore, che ha un "gap" tra i livelli di energia dei suoi elettroni. Quando tali materiali ottengono energia dalla luce che li colpisce, gli elettroni possono saltare a una banda di energia più alta; quando tornano al livello precedente, l'energia viene rilasciata sotto forma di fotone, una particella di luce. La frequenza di questa luce, che ne determina il colore, può essere regolata con precisione selezionando le forme e le dimensioni dei punti. Oltre agli schermi, i punti quantici possono essere utilizzati come celle solari, transistor, laser e dispositivi di informazione quantistica.

Il fenomeno del lampeggio è stato osservato per la prima volta negli anni '90, subito dopo la creazione dei punti quantici. "Da quel momento in poi", dice Bawendi, "avrei fatto presentazioni [sui punti quantici] e la gente avrebbe detto, 'fai sparire!' Quindi, sono stati fatti molti sforzi nel tentativo di eliminarlo progettando l'interfaccia tra il punto e il suo ambiente o aggiungendo altre molecole. Ma nessuna di queste cose funzionava davvero bene o era molto riproducibile."

"Sappiamo che per alcune applicazioni di informazioni quantistiche, vogliamo una perfetta sorgente di emettitore di un singolo fotone", spiega Sun. Ma con i punti quantici attualmente disponibili, che altrimenti potrebbero essere adatti a tali applicazioni, "si accendono in modo casuale, e questo è effettivamente dannoso per tutte le applicazioni che utilizzano la fotoluminescenza dai punti".

Ma ora, dice, grazie alla ricerca del team, "usiamo questi impulsi ultraveloci nel medio infrarosso e i punti quantici possono rimanere nello stato 'on'. Questo può essere potenzialmente molto utile per applicazioni, come nelle informazioni quantistiche scienza, dove hai davvero bisogno di una sorgente luminosa di singoli fotoni senza alcuna intermittenza."

Allo stesso modo, per le applicazioni di ricerca biomedica, è essenziale eliminare l'ammiccamento, afferma Shi. "Ci sono molti processi biologici che richiedono davvero la visualizzazione con un tag fotoluminescente costante, come le applicazioni di tracciamento. Ad esempio, quando assumiamo medicinali, vuoi visualizzare come quelle molecole di farmaco vengono interiorizzate nella cellula e dove si trovano negli organelli subcellulari finisce." Ciò potrebbe portare a processi di scoperta di farmaci più efficienti, dice, "ma se i punti quantici iniziano a lampeggiare molto, in pratica perdi traccia di dove si trova la molecola".

Nelson, che è il Professore di Chimica di Haslam e Dewey, spiega che la causa del fenomeno del lampeggio probabilmente ha a che fare con cariche elettriche extra, come elettroni extra, che si attaccano alla parte esterna dei punti quantici, alterando le proprietà della superficie in modo che ci sono altri percorsi alternativi per rilasciare l'energia extra invece di emettere luce.

"Varie cose possono accadere in un ambiente reale", dice Nelson, "tanto che forse il punto quantico ha un elettrone concentrato su di esso da qualche parte sulla superficie". Invece di essere elettricamente neutro, il punto quantico ora ha una carica netta, e mentre può ancora tornare al suo stato fondamentale emettendo un fotone, "la carica extra purtroppo apre anche un intero gruppo di percorsi aggiuntivi per lo stato eccitato dell'elettrone tornare allo stato fondamentale senza emettere un fotone", ad esempio diffondendo invece calore.

Ma quando vengono colpiti da un'esplosione di luce nel medio infrarosso, le cariche extra tendono a essere espulse dalla superficie, consentendo ai punti quantici di produrre emissioni stabili e smettere di lampeggiare.

Si scopre, dice Utzat, che questo è "un processo molto generale", che potrebbe rivelarsi utile per affrontare l'intermittenza anomala in alcuni altri dispositivi, come nei cosiddetti centri di vacanza di azoto nel diamante, che vengono sfruttati per la microscopia ad altissima risoluzione e come sorgenti di fotoni singoli nelle tecnologie quantistiche ottiche. "Anche se lo abbiamo dimostrato per un solo tipo di materiale da lavoro, il punto quantico, credo che possiamo applicare questo metodo ad altri emettitori", afferma. "Penso che l'effetto fondamentale dell'utilizzo di questa luce a infrarossi medi sia applicabile a un'ampia varietà di materiali diversi."

Nelson afferma che l'effetto potrebbe anche non essere limitato agli impulsi nel medio infrarosso, che attualmente si basano su apparecchiature laser da laboratorio ingombranti e costose e non sono ancora pronti per applicazioni commerciali. Lo stesso principio potrebbe estendersi anche alle frequenze terahertz, dice, un'area che è stata in fase di sviluppo nel suo laboratorio e in altri e che in linea di principio potrebbe portare a dispositivi molto più piccoli e meno costosi.

Il team di ricerca comprendeva anche Ardavan Farahvash, Frank Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov e Adam Willard, tutti al MIT. Il lavoro è stato supportato dall'US Army Research Lab e dall'US Army Research Office attraverso l'Institute for Soldier Nanotechnologies, il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il Samsung Global Outreach Program. + Esplora ulteriormente

Punti quantici MXene che emettono luce