Квантовые точки перестают мигать


Квантовые точки, открытые в 1990-х годах, имеют широкий спектр применения и, возможно, наиболее известны тем, что дают яркие цвета в некоторых телевизорах высокого класса. Но для некоторых потенциальных применений, таких как отслеживание биохимических путей действия лекарства при его взаимодействии с живыми клетками, прогрессу препятствует одна, казалось бы, неконтролируемая характеристика: склонность мигать через случайные промежутки времени. Это не имеет значения, когда точки используются в совокупности, как на экранах телевизоров, но для точных приложений это может быть значительным недостатком.

Теперь команда химиков из Массачусетского технологического института придумала способ контролировать это нежелательное мигание, не требуя внесения каких-либо изменений в рецептуру или производственный процесс. Путем включения луча лазера среднего инфракрасного диапазона на бесконечно малый момент – несколько триллионных долей секунды – мигание квантовой точки устраняется на относительно длительный период, в десятки миллиардов раз дольше, чем лазерный импульс.

Новая техника описана в статье, опубликованной в журнале. Природа Нанотехнологиидокторантами Цзяоцзянь Ши, Вэйвэй Сун и Хендриком Утзатом, профессорами химии Китом Нельсоном и Моунги Бавенди и пятью другими сотрудниками Массачусетского технологического института.

Квантовые точки – это крошечные частицы, всего несколько нанометров в диаметре, сделанные из полупроводникового материала, который имеет «запрещенную зону» между энергетическими уровнями своих электронов. Когда такие материалы получают энергию от падающего на них света, электроны могут перейти в более высокую энергетическую зону; когда они возвращаются на свой предыдущий уровень, энергия высвобождается в виде фотона, частицы света. Частоту этого света, определяющую его цвет, можно точно настроить, выбрав форму и размер точек. Помимо экранов дисплеев, квантовые точки могут использоваться в качестве солнечных элементов, транзисторов, лазеров и устройств квантовой информации.


Явление мерцания было впервые обнаружено в 1990-х годах, вскоре после того, как были впервые созданы квантовые точки. «С тех пор, – говорит Бавенди, – я буду проводить презентации [about quantum dots], и люди говорили: «Просто убери это!» Итак, было приложено много усилий, чтобы попытаться устранить его, создав интерфейс между точкой и окружающей средой или добавив другие молекулы. Но ни одна из этих вещей не работала хорошо и не воспроизводилась “.

«Мы знаем, что для некоторых приложений квантовой информации нам нужен идеальный источник однофотонного излучения», – объясняет Сан. Но с доступными в настоящее время квантовыми точками, которые в противном случае могли бы хорошо подходить для таких приложений, «они будут включаться случайным образом, и это фактически пагубно для любого из приложений, которые используют фотолюминесценцию от точек».

Но теперь, по ее словам, благодаря исследованиям команды, «мы используем эти сверхбыстрые импульсы среднего инфракрасного диапазона, и квантовые точки могут оставаться во включенном состоянии. Это потенциально может быть очень полезно для приложений, таких как квантовая информация. наука, где действительно нужен яркий источник одиночных фотонов без какой-либо перемежаемости ».

Точно так же, по словам Ши, для приложений биомедицинских исследований важно исключить мигание. «Есть много биологических процессов, которые действительно требуют визуализации с помощью устойчивой фотолюминесцентной метки, например приложения для отслеживания. Например, когда мы принимаем лекарства, вы хотите визуализировать, как молекулы этих лекарств интернализуются в клетке и где в субклеточных органеллах это происходит. оказывается.” По его словам, это могло бы привести к более эффективным процессам открытия лекарств, «но если квантовые точки начнут часто мигать, вы в основном теряете из виду, где находится молекула».

Нельсон, профессор химии Хаслама и Дьюи, объясняет, что причина явления мигания, вероятно, связана с дополнительными электрическими зарядами, такими как дополнительные электроны, которые прикрепляются к внешней части квантовых точек, изменяя свойства поверхности таким образом, что Есть и другие альтернативные пути высвобождения дополнительной энергии вместо излучения света.