Cientistas da Universidade Nacional de Pesquisa Nuclear MEPhI (MEPhI) demonstraram um aumento na intensidade e na taxa de emissão de pontos quânticos. De acordo com os autores do estudo, o desenvolvimento pode ajudar a resolver um dos principais problemas na criação de um computador quântico e elevar o monitoramento biomédico a um novo nível. Os resultados da pesquisa foram publicados em Optics Express .

Os pontos quânticos são nanoestruturas fluorescentes de baixa dimensão que prometem no campo da interação luz-matéria. Eles são capazes de absorver uma ampla faixa de luz e emitir luz em uma faixa estreita de comprimentos de onda, que depende do tamanho do nanocristal; isso é, um ou outro ponto quântico brilha com uma determinada cor. Essas propriedades tornam os pontos quânticos quase perfeitos para o registro multicolorido ultrassensível de objetos biológicos, bem como para diagnósticos médicos.

Os pontos quânticos podem ser usados ​​em uma ampla gama de áreas, de dispositivos de iluminação e painéis solares a qubits para computação quântica. Eles são melhores do que os fósforos tradicionais em termos de fotoestabilidade e brilho. As telas de pontos quânticos podem fornecer brilho muito maior, contraste e menor consumo de energia do que outras tecnologias.

Pesquisadores do Laboratório de Nano-Bioengenharia (LNBE) do Instituto de Engenharia Física para Biomedicina, MEPhI, foram os primeiros a demonstrar um aumento na intensidade e na taxa de emissão espontânea de pontos quânticos semicondutores em estruturas fotônicas porosas baseadas em silício.

Os resultados do estudo representam uma nova abordagem para controlar a emissão espontânea de luz, alterando o ambiente eletromagnético local de fósforos em uma matriz porosa, que abre perspectivas para novas aplicações em bio-sensoriamento, optoeletrônica, criptografia e computação quântica.

Em primeiro lugar, os novos sistemas podem servir como base para biossensores fluorescentes compactos na forma de ensaio de imunoabsorção enzimática, amplamente difundido na prática clínica. O uso de pontos quânticos com fluorescência aprimorada de cristal fotônico aumentará significativamente a sensibilidade da análise, tornando possível a detecção precoce da doença, quando o número de biomarcadores de doenças no sangue do paciente é baixo. Também irá facilitar o monitoramento do tratamento do paciente.

Além disso, o desenvolvimento pode servir de base para computadores ópticos ou sistemas criptográficos, substituindo fontes volumosas de fótons individuais ou elementos lógicos ópticos. Além de compactação e simplicidade, o uso dos novos sistemas nesta área permitirá a solução de um dos principais problemas da indústria:a produção sob demanda de fótons únicos ou emaranhados quânticos, o que é quase impossível hoje.

Fótons emaranhados - um par de partículas em estados quânticos correlacionados - desempenham um papel fundamental na física moderna. Sem pares emaranhados, é quase impossível implementar comunicação quântica e teletransporte quântico, bem como construir computadores quânticos conectados à Internet quântica. Se o computador quântico for criado, os princípios de uma ampla gama de áreas - modelagem molecular, criptografia, inteligência artificial - pode mudar completamente.

Os cientistas do MEPhI conseguiram obter o resultado devido ao uso de oxidação profunda de cristais fotônicos, que tornou possível suprimir a extinção de luminescência, bem como para reduzir a perda de energia por absorção.

"Para aumentar a luminescência de tais estruturas, vários métodos são usados, entre os quais o uso de cristais fotônicos é de particular interesse. Variações periódicas no índice de refração do cristal fotônico tornam possível alcançar um aumento local na densidade dos estados fotônicos, devido ao qual se observa o aumento da intensidade do fósforo e da taxa de emissão espontânea, "Pavel Samokhvalov, pesquisador do LNBE MEPhI, disse.

Para fabricar cristais fotônicos, o silício poroso é amplamente utilizado, que é bastante diferente de outros materiais devido à possibilidade de controlar com precisão o índice de refração, facilidade de fabricação, e capacidade de sorção.

Contudo, até agora, os pesquisadores não conseguiram aumentar a taxa de relaxamento radiativo do fósforo em cristais fotônicos de silício poroso devido à significativa extinção de luminescência em contato com a superfície de silício.