Får kvanteprikker til at holde op med at blinke

Kvanteprikker, opdaget i 1990'erne, har en bred vifte af applikationer og er måske bedst kendt for at producere levende farver i nogle avancerede fjernsyn. Men for nogle potentielle anvendelser, såsom sporing af biokemiske veje for et lægemiddel, når det interagerer med levende celler, er fremskridt blevet hæmmet af en tilsyneladende ukontrollerbar egenskab:en tendens til at blinke af med tilfældige intervaller. Det betyder ikke noget, når prikkerne bruges i aggregatet, som i tv-skærme, men til præcisionsapplikationer kan det være en væsentlig ulempe.

Nu har et hold af kemikere ved MIT fundet på en måde at kontrollere dette uønskede blink uden at kræve nogen ændring af formuleringen eller fremstillingsprocessen. Ved at affyre en stråle af mellem-infrarødt laserlys i et uendeligt lille øjeblik – nogle få billioner af et sekund – elimineres kvanteprikkens blink i en relativt lang periode, titusinder af gange længere end laserpulsen.

Den nye teknik er beskrevet i et papir, der vises i tidsskriftet Nature Nanotechnology , af ph.d.-studerende Jiaojian Shi, Weiwei Sun og Hendrik Utzat, professorer i kemi Keith Nelson og Moungi Bawendi og fem andre ved MIT.

Kvanteprikker er små partikler, kun et par nanometer på tværs, lavet af halvledermateriale, som har et "båndgab" mellem energiniveauerne af dets elektroner. Når sådanne materialer får energi fra lys, der skinner på dem, kan elektroner hoppe til et højere energibånd; når de vender tilbage til deres tidligere niveau, frigives energi i form af en foton, en partikel af lys. Frekvensen af ​​dette lys, som bestemmer dets farve, kan indstilles præcist ved at vælge former og dimensioner af prikkerne. Udover skærme har kvanteprikker potentiale til brug som solceller, transistorer, lasere og kvanteinformationsenheder.

Det blinkende fænomen blev først observeret i 1990'erne, kort efter at kvanteprikker først blev lavet. "Fra det tidspunkt," siger Bawendi, "ville jeg holde præsentationer [om kvanteprikker], og folk ville sige, 'bare få det til at gå væk!' Så der blev brugt mange kræfter på at forsøge at eliminere det ved at udvikle grænsefladen mellem prikken og dens omgivelser eller ved at tilføje andre molekyler. Men ingen af ​​disse ting fungerede rigtig godt eller var meget reproducerbare."

"Vi ved, at for nogle kvanteinformationsapplikationer ønsker vi en perfekt enkeltfoton-emitterkilde," forklarer Sun. Men med aktuelt tilgængelige kvanteprikker, som ellers kunne være velegnede til sådanne applikationer, "vil de tændes tilfældigt, og dette er faktisk skadeligt for enhver af de applikationer, der udnytter fotoluminescensen fra prikkerne."

Men nu, siger hun, takket være holdets forskning, "bruger vi disse ultrahurtige mid-infrarøde impulser, og kvanteprikkerne kan forblive i "tændt" tilstand. Dette kan potentielt være meget nyttigt til applikationer, som i kvanteinformation videnskab, hvor du virkelig har brug for en lys kilde af enkelte fotoner uden intermittens."

Tilsvarende er det afgørende for biomedicinske forskningsapplikationer at fjerne blinken, siger Shi. "Der er mange biologiske processer, der virkelig kræver visualisering med et stabilt fotoluminescerende tag, som sporingsapplikationer. For eksempel, når vi tager medicin, vil man visualisere, hvordan disse lægemiddelmolekyler bliver internaliseret i cellen, og hvor i de subcellulære organeller det ender." Dette kunne føre til mere effektive lægemiddelopdagelsesprocesser, siger han, "men hvis kvanteprikkerne begynder at blinke meget, mister du dybest set overblikket over, hvor molekylet er."

Nelson, der er Haslam og Dewey professor i kemi, forklarer, at årsagen til blinkefænomenet sandsynligvis har at gøre med ekstra elektriske ladninger, såsom ekstra elektroner, der binder sig til den yderste del af kvanteprikkerne, og ændrer overfladeegenskaberne, så der er andre alternative veje til at frigive den ekstra energi i stedet for ved at udsende lys.

"Forskellige ting kan ske i et virkeligt miljø," siger Nelson, "sådan at kvanteprikken måske har en elektron glommet på den et sted ved overfladen." I stedet for at være elektrisk neutral, har kvanteprikken nu en nettoladning, og mens den stadig kan vende tilbage til sin grundtilstand ved at udsende en foton, "åbner den ekstra ladning desværre også en hel masse ekstra veje for elektronens exciterede tilstand til vende tilbage til grundtilstanden uden at udsende en foton," for eksempel ved at afgive varme i stedet for.

Men når de zappes med et udbrud af mellem-infrarødt lys, har de ekstra ladninger en tendens til at blive slået væk fra overfladen, hvilket tillader kvanteprikkerne at producere stabile emissioner og stoppe med at blinke.

Det viser sig, siger Utzat, at dette er "en meget generel proces", som kan vise sig at være nyttig til at håndtere uregelmæssig intermittens i nogle andre enheder, såsom i såkaldte nitrogen-vacancecentre i diamant, som bliver udnyttet til ultrahøjopløsningsmikroskopi og som kilder til enkeltfotoner i optiske kvanteteknologier. "Selvom vi kun har vist det for én slags arbejdshestmateriale, kvanteprikken, tror jeg, at vi kan anvende denne metode til andre emittere," siger han. "Jeg tror, ​​at den grundlæggende effekt ved at bruge dette mellem-infrarøde lys kan anvendes på en lang række forskellige materialer."

Nelson siger, at effekten heller ikke er begrænset til de mellem-infrarøde pulser, som i øjeblikket er afhængige af omfangsrigt og dyrt laboratorielaserudstyr og endnu ikke er klar til kommerciel anvendelse. Det samme princip kunne også udvides til terahertz-frekvenser, siger han, et område, der har været under udvikling i hans laboratorium og andre, og som i princippet kan føre til meget mindre og billigere enheder.

Forskerholdet inkluderede også Ardavan Farahvash, Frank Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov og Adam Willard, alle ved MIT. Arbejdet blev støttet af U.S. Army Research Lab og U.S. Army Research Office gennem Institute for Soldier Nanotechnologies, US Department of Energy og Samsung Global Outreach Program. + Udforsk yderligere

Lysemitterende MXene kvanteprikker