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2021-11-23Conseguir que los puntos cuánticos dejen de parpadear

MIT |El nuevo enfoque resuelve un problema persistente de intermitencia que ha obstaculizado el uso de los diminutos emisores de luz para imágenes biológicas o fotónica cuántica.

Los puntos cuánticos, descubiertos en la década de 1990, tienen una amplia gama de aplicaciones y quizás sean más conocidos por producir colores vivos en algunos televisores de alta gama. Pero para algunos usos potenciales, como el seguimiento de las vías bioquímicas de un fármaco a medida que interactúa con las células vivas, el progreso se ha visto obstaculizado por una característica aparentemente incontrolable: una tendencia a parpadear a intervalos aleatorios. Eso no importa cuando los puntos se utilizan en conjunto, como en las pantallas de televisión, pero para aplicaciones de precisión puede ser un inconveniente importante.

Ahora, un equipo de químicos del MIT ha ideado una forma de controlar este parpadeo no deseado sin necesidad de modificar la formulación o el proceso de fabricación. Al disparar un rayo de luz láser de infrarrojo medio durante un momento infinitesimal, unas cuantas billonésimas de segundo, el parpadeo del punto cuántico se elimina durante un período relativamente largo, decenas de miles de millones de veces más que el pulso del láser.

La nueva técnica se describe en un artículo que aparece hoy en la revista Nature Nanotechnology , por los estudiantes de doctorado Jiaojian Shi, Weiwei Sun y Hendrik Utzat, los profesores de química Keith Nelson y Moungi Bawendi, y otros cinco en el MIT.

Los puntos cuánticos son partículas diminutas, de unos pocos nanómetros de diámetro, hechas de material semiconductor, que tiene una "banda prohibida" entre los niveles de energía de sus electrones. Cuando estos materiales obtienen energía de la luz que los ilumina, los electrones pueden saltar a una banda de energía más alta; cuando vuelven a su nivel anterior, la energía se libera en forma de fotón, una partícula de luz. La frecuencia de esta luz, que determina su color, se puede ajustar con precisión seleccionando las formas y dimensiones de los puntos. Además de las pantallas de visualización, los puntos cuánticos tienen potencial para usos como células solares, transistores, láseres y dispositivos de información cuántica.

El fenómeno del parpadeo se observó por primera vez en la década de 1990, poco después de que se hicieran por primera vez los puntos cuánticos. “A partir de ese momento”, dice Bawendi, “daría presentaciones [sobre puntos cuánticos], y la gente diría, ¡simplemente haz que esto desaparezca! Entonces, se hizo un gran esfuerzo para tratar de eliminarlo mediante la ingeniería de la interfaz entre el punto y su entorno, o agregando otras moléculas. Pero ninguna de estas cosas funcionó realmente bien o fue muy reproducible ".

"Sabemos que para algunas aplicaciones de información cuántica, queremos una fuente emisora ​​de fotón único perfecta", explica Sun. Pero con los puntos cuánticos actualmente disponibles, que de otro modo podrían ser adecuados para tales aplicaciones, "se encenderán aleatoriamente, y esto es realmente perjudicial para cualquiera de las aplicaciones que utilizan la fotoluminiscencia de los puntos".

Pero ahora, dice, gracias a la investigación del equipo, “usamos estos pulsos ultrarrápidos del infrarrojo medio y los puntos cuánticos pueden permanecer en el estado encendido. Esto puede ser potencialmente muy útil para aplicaciones, como en la ciencia de la información cuántica, donde realmente se necesita una fuente brillante de fotones individuales sin intermitencia alguna ”.

De manera similar, para las aplicaciones de investigación biomédica, eliminar el parpadeo es esencial, dice Shi. “Hay muchos procesos biológicos que realmente requieren visualización con una etiqueta fotoluminiscente estable, como aplicaciones de seguimiento. Por ejemplo, cuando tomamos medicamentos, desea visualizar cómo esas moléculas de medicamentos se internalizan en la célula y en qué parte de los orgánulos subcelulares terminan ". Esto podría conducir a procesos de descubrimiento de fármacos más eficientes, dice, "pero si los puntos cuánticos comienzan a parpadear mucho, básicamente pierdes la pista de dónde está la molécula".

Nelson, quien es profesor de química Haslam y Dewey, explica que la causa del fenómeno del parpadeo probablemente tenga que ver con cargas eléctricas adicionales, como electrones adicionales, que se adhieren a la parte exterior de los puntos cuánticos, alterando las propiedades de la superficie de modo que Existen otras vías alternativas para que se libere la energía adicional en lugar de emitir luz.

"Varias cosas pueden suceder en un entorno real", dice Nelson, "de modo que tal vez el punto cuántico tiene un electrón pegado a él en algún lugar de la superficie". En lugar de ser eléctricamente neutro, el punto cuántico ahora tiene una carga neta, y aunque todavía puede volver a su estado fundamental mediante la emisión de un fotón, "la carga adicional, lamentablemente, también abre un montón de vías adicionales para que el estado excitado del electrón volver al estado fundamental sin emitir un fotón ”, por ejemplo, eliminando calor.

Pero cuando se les aplica una ráfaga de luz infrarroja media, las cargas adicionales tienden a desprenderse de la superficie, lo que permite que los puntos cuánticos produzcan emisiones estables y dejen de parpadear.

Resulta, dice Utzat, que este es "un proceso muy general", que podría resultar útil para tratar la intermitencia anómala en algunos otros dispositivos, como en los llamados centros de vacantes de nitrógeno en diamantes, que se están aprovechando para microscopía de ultra alta resolución y como fuentes de fotones únicos en tecnologías ópticas cuánticas. "Aunque lo hemos demostrado para un solo tipo de material de caballo de batalla, el punto cuántico, creo que podemos aplicar este método a otros emisores", dice. "Creo que el efecto fundamental de utilizar esta luz de infrarrojos medios es aplicable a una amplia variedad de materiales diferentes".

Nelson dice que el efecto tampoco puede limitarse a los pulsos del infrarrojo medio, que actualmente dependen de equipos láser de laboratorio voluminosos y costosos y aún no están listos para aplicaciones comerciales. El mismo principio también podría extenderse a frecuencias de terahercios, dice, un área que ha estado en desarrollo en su laboratorio y otros y que en principio podría dar lugar a dispositivos mucho más pequeños y menos costosos.

El equipo de investigación también incluyó a Ardavan Farahvash, Frank Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov y Adam Willard, todos en el MIT. El trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. Y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. A través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados, el Departamento de Energía de EE. UU. Y el Programa de Alcance Global de Samsung.

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