A capacidade de investigar a dinâmica de uma única partícula em nanoescala e nível de femtossegundo permaneceu um sonho insondável por anos. Foi só no início do século 21 que a nanotecnologia e a femtosciência gradualmente se fundiram e a primeira microscopia ultrarrápida de pontos quânticos individuais (QDs) e moléculas foi realizada. Os estudos de microscopia ultrarrápida dependem inteiramente da detecção de nanopartículas ou moléculas únicas com técnicas de luminescência, que requerem emissores eficientes para funcionar. Contudo, tais técnicas causam degradação da amostra, bem como rendem poucas informações sobre a dinâmica do sistema no estado excitado. Somente nos últimos anos os esforços para encontrar uma técnica alternativa compatível para estudar processos rápidos em nanoobjetos ganharam destaque.

Agora, Lukasz Piatkowski, pesquisadores do ICFO, Nicolò Accanto, Gaëtan Calbris e Sotirios Christodoulou, liderado pelo ICREA Prof Niek F. van Hulst, em colaboração com Iwan Moreels (Universidade de Ghent, Bélgica), publicou um estudo em Ciência intitulado "Microscopia de emissão estimulada ultrarrápida de nanocristais individuais, "onde eles relatam uma técnica para estudar eventos ultrarrápidos em nanoobjetos individuais não fluorescentes.

Em seu estudo, eles tomaram QDs individuais e, em vez de esperar que o QD emita luz espontaneamente por fotoluminescência, a equipe usou uma combinação sofisticada de pulsos de laser para promover QDs individuais em estado de excitação e, em seguida, force-os para baixo, de volta ao estado fundamental para o primeiro:QDs individuais da imagem e segundo:discernir a evolução das cargas excitadas dentro de todo o fotociclo.

O Dr. Lukasz Piatkowski explica por que eles usaram um par de pulsos de laser para efetivamente criar imagens da dinâmica dos QDs:"É como jogar uma bola em uma árvore; quanto mais alto você a joga, quanto mais animado o estado. O primeiro pulso de laser do sistema (fóton) lança a primeira bola (carga no QD) na árvore. Se você estiver usando uma técnica de fotoluminescência, é como se você estivesse embaixo da árvore, e você não pode ver o que está acontecendo dentro da copa das árvores ou da copa. Assim, você não saberá se a bola começa a quicar nos galhos - onde, quando e como começa a cair, se parar com algo em seu caminho, se ficar preso em um galho intermediário, etc. Então, para ver o que está acontecendo com a primeira bola, você precisa encontrar outra técnica que permita olhar para a copa das árvores. A técnica que usamos nos permitiu lançar uma segunda bola no topo da árvore (segundo pulso de laser interagindo com o QD) para derrubar a primeira bola. Jogando a segunda bola mais alto ou mais baixo, mais forte ou mais fraco, mais cedo ou mais tarde após a primeira bola, obtemos informações sobre a primeira bola e a estrutura da árvore (quanto tempo levou para as bolas caírem, Onde, Como as, etc.). "

Em seu experimento, o primeiro pulso de laser leva o QD individual ao estado de excitação. Então, a cada poucas centenas de femtossegundos, eles dispararam um segundo pulso de laser no QD para trazer as cargas para o estado fundamental, induzindo recombinação e emissão de um fóton extra. Portanto, para cada fóton sonda que eles dispararam no sistema, eles recuperaram dois fótons gêmeos. Esses fótons extras permitiram aos autores não apenas obter imagens dos QDs, mas também rastrear com precisão a evolução das cargas excitadas no QD, revelando quantas cargas sofreram recombinação espontânea, recombinação estimulada e absorção de estado excitado.

Ser capaz de rastrear cargas excitadas em nanoescala é de fundamental importância na nanotecnologia, fotônica e fotovoltaica. Os resultados do estudo provaram que a microscopia de emissão estimulada ultrarrápida pode ser usada para estudar processos ultrarrápidos em partículas cromóforas individuais que são indetectáveis ​​por meio de técnicas de fluorescência / fotoluminescência. Em outras palavras, tal estudo permitiu obter imagens e estudar a dinâmica de nanopartículas e estruturas sem a necessidade de rótulos fluorescentes externos.

Como observa o professor ICREA no ICFO Niek van Hulst, "Avanços significativos são esperados no futuro no campo das técnicas de imagem de nano-regime ultrarrápido. A primeira detecção de pontos quânticos usando essa abordagem foi excelente. Agora pretendemos estender isso para moléculas e complexos biomoleculares, especificamente complexos fotossintéticos. Atualmente, estamos trabalhando em esquemas de 3 e 4 pulsos para mesclar a emissão estimulada e a detecção de luminescência de sistemas únicos com a espectroscopia 2-D. "