Flyvende tallerken kvanteprikker holder hemmeligt for lysere, bedre lasere

Frisk indsigt i levende celler, lysere videoprojektorer og mere præcise medicinske tests er blot tre af de innovationer, der kan skyldes en ny måde at fremstille lasere på.

Den nye metode, udviklet af et internationalt forskerhold fra U of T Engineering, Vanderbilt University, Los Alamos National Laboratory og andre, producerer kontinuerligt laserlys, der er lysere, billigere og mere indstillelig end nuværende enheder ved hjælp af nanopartikler kendt som kvantepunkter.

"Vi har arbejdet med kvantepunkter i mere end et årti, "siger Ted Sargent, en professor i The Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical &Computer Engineering ved U of T. "De er mere end fem tusinde gange mindre end bredden af ​​et menneskehår, som gør dem i stand til at grænser op til kvante- og klassisk fysiks verdener og giver dem nyttige optiske egenskaber. "

"Quantum dots er velkendte klare lysemittere, "siger Alex Voznyy, en senior forskningsassistent i Sargents laboratorium. "De kan absorbere meget energi og udsende den igen med en bestemt frekvens, hvilket gør dem til et særligt egnet materiale til lasere. "

Ved omhyggeligt at kontrollere størrelsen på kvantepunkterne, forskerne i Sargents laboratorium kan 'tune' frekvensen, eller farve, af det udsendte lys til en hvilken som helst ønsket værdi. Derimod, de fleste kommercielle lasere er begrænset til en bestemt frekvens, eller en meget lille rækkevidde, defineret af de materialer, de er fremstillet af.

Evnen til at producere en laser med en hvilken som helst ønsket frekvens fra et enkelt materiale ville give et løft til forskere, der ønsker at studere sygdomme på niveau med væv eller individuelle celler ved at tilbyde nye værktøjer til at undersøge biokemiske reaktioner. De kunne også muliggøre laserprojektorer, der ville være lysere og mere energieffektive end den nuværende LCD -teknologi.

Men selvom kolloidale kvanteprikkers evne til at producere laserlys først blev demonstreret af medforfatter Victor Klimov og hans team på Los Alamos National Laboratory for mere end 15 år siden, kommerciel anvendelse er fortsat undvigende. Et centralt problem har været, at indtil nu har mængden af ​​lys, der er nødvendig for at ophidse kvantepunkterne til at producere laserlys, har været meget høj.

"Du skal stimulere laseren ved hjælp af mere og mere strøm, men der er også mange opvarmningstab, "siger Voznyy." Til sidst bliver det så varmt, at det bare brænder. "De fleste quantum dot -lasere er begrænset til lyspulser, der varer kun et par nanosekunder - milliarder af et sekund.

Holdet, som omfattede Voznyy, postdoktorale forskere Fengjia Fan og Randy Sabatini og MASc -kandidat Kris Bicanic, overvundet dette problem ved at ændre formen på kvantepunkterne, frem for deres størrelse. De var i stand til at skabe kvanteprikker med en sfærisk kerne og en skal formet som en kegle, en M&M eller en flyvende tallerken - en 'presset' sfærisk form kendt som en oblat kugleform.

Uoverensstemmelsen mellem kerneens form og skallen indfører en spænding, der påvirker de elektroniske tilstande af kvantepunktet, sænke mængden af ​​energi, der er nødvendig for at udløse laseren. Som rapporteret i et papir, der blev offentliggjort i dag i Natur , innovationen betyder, at kvantepunkterne ikke længere er i fare for overophedning, så den resulterende laser kan affyre kontinuerligt.

Mens kvanteprikker ofte bygges ved at deponere molekyler et ad gangen i et vakuum, Sargents team blander flydende opløsninger, der indeholder forskellige quantum dot -prækursorer. Når løsningerne reagerer, de producerer faste kvantepunkter, der forbliver suspenderet i væsken - disse er kendt som kolloide kvantepunkter. Teamets vigtigste innovation var at tilføje specifikke capping -molekyler til blandingen, hvilket tillod dem at kontrollere partiklernes form for at opnå de ønskede egenskaber, en tilgang Fan kalder 'smart kemi'.

"Løsningsbaseret behandling reducerer i høj grad omkostningerne ved at lave kvantepunkter, "siger Fan." Det vil også gøre det lettere at skalere produktionen, fordi vi kan bruge teknikker, der allerede er etableret i trykindustrien. "

Projektet omfattede en række nationale og internationale partnere. Computersimuleringer i samarbejde med University of Ottawa og National Research Council guidede udformningen af ​​kvantepunkterne. Analytiske tests fra Vanderbilt's Institute of Nanoscale Science and Engineering i Nashville, TN, samt University of New Mexicos Center for High Technology Materials i Albuquerque, NM og Los Alamos bekræftede, at de endelige produkter havde den ønskede form, sammensætning og adfærd ved at analysere individuelle kvantepunkter på atomniveau.

"Vi var ikke kun imponeret over selve den konstruerede struktur, men også af ensartetheden, de har opnået, "siger Sandra Rosenthal, direktør for Vanderbilt Institute for Nanoscale Science and Engineering. "Sargents team har formået at skabe kvanteprikker med en unik og elegant struktur. Dette er spændende forskning."

Teamet har mere arbejde at gøre, før de kan se til kommercialisering. "For denne proof-of-concept-enhed, vi spænder kvantepunkterne med lys, "siger Sabatini." I sidste ende, vi vil flytte til spændende dem med elektricitet. Vi vil også opskalere effekten til milliwatt eller endda watt. Hvis vi kan gøre det, så bliver det vigtigt for laserprojektion. "