Os pontos quânticos são nanopartículas feitas pelo homem de material semicondutor compreendendo apenas alguns milhares de átomos. Por causa do pequeno número de átomos, as propriedades de um ponto quântico ficam entre as de átomos ou moléculas individuais e o material a granel com um grande número de átomos. Ao alterar o tamanho e a forma das nanopartículas, é possível ajustar suas propriedades eletrônicas e ópticas - como os elétrons se ligam e se movem através do material, e como a luz é absorvida e emitida por ele.

Graças ao controle cada vez mais refinado do tamanho e forma das nanopartículas, o número de aplicações comerciais cresceu. Os que já estão disponíveis incluem lasers, LEDs, e TVs com tecnologia de pontos quânticos.

Contudo, existe um problema que pode prejudicar a eficiência de dispositivos ou aparelhos que usam este nanomaterial como meio ativo. Quando a luz é absorvida por um material, os elétrons são promovidos a níveis de energia mais elevados, e quando eles retornam ao seu estado fundamental, cada um pode emitir um fóton de volta ao meio ambiente. Em pontos quânticos convencionais, a viagem de retorno do elétron ao seu estado fundamental pode ser perturbada por vários fenômenos quânticos, retardando a emissão de luz para o exterior.

A prisão de elétrons desta forma, conhecido como o "estado escuro, "retarda a emissão de luz, em contraste com o caminho que os permite retornar rapidamente ao estado fundamental e, portanto, emitir luz de forma mais eficiente e direta ("estado brilhante").

Este atraso pode ser menor em uma nova classe de nanomaterial feito de perovskita, que está despertando considerável interesse entre os pesquisadores em ciência dos materiais como resultado.

Estudo realizado por pesquisadores dos Institutos de Química e Física da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) no estado de São Paulo, Brasil, em colaboração com cientistas da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, fez avanços nessa direção, fornecendo novos insights sobre a física fundamental dos pontos quânticos de perovskita. Um artigo sobre o estudo foi publicado em Avanços da Ciência .

"Usamos espectroscopia coerente, o que nos permitiu analisar separadamente o comportamento dos elétrons em cada nanomaterial em um conjunto de dezenas de bilhões de nanomateriais. O estudo é inovador na medida em que combina uma classe relativamente nova de nanomateriais - perovskita - com uma técnica de detecção totalmente nova, “Lázaro Padilha Junior, investigador principal do projeto no lado brasileiro, disse à Agência FAPESP.

A FAPESP apoiou o estudo por meio de Bolsa Jovem Investigador e Bolsa Regular de Pesquisa concedida a Padilha.

"Pudemos verificar o alinhamento de energia entre o estado claro [associado aos tripletos] e o estado escuro [associado aos singuletos], indicando como esse alinhamento depende do tamanho do nanomaterial. Também fizemos descobertas sobre as interações entre esses estados, abrindo oportunidades para o uso desses sistemas em outras áreas da tecnologia, como informações quânticas, "Disse Padilha.

"Devido à estrutura cristalina da perovskita, o nível de energia brilhante se divide em três, formando um trigêmeo. Isso fornece vários caminhos para a excitação e para os elétrons retornarem ao estado fundamental. O resultado mais surpreendente do estudo foi que, ao analisar os tempos de vida de cada um dos três estados brilhantes e as características do sinal emitido pela amostra, obtivemos evidências de que o estado escuro está presente, mas localizado em um nível de energia mais alto do que dois dos três estados brilhantes. Isso significa que, quando a luz incide sobre a amostra, os elétrons excitados são capturados apenas se ocuparem o nível de brilho mais alto e, então, mudados para o estado escuro. Se eles ocuparem os níveis de brilho mais baixos, eles retornam ao estado fundamental com mais eficiência. "

Para estudar como os elétrons interagem com a luz nesses materiais, o grupo usou espectroscopia coerente multidimensional (MDCS), em que uma explosão de pulsos de laser ultracurtos (cada um durando cerca de 80 femtossegundos, ou 80 quatrilionésimos de segundo) é irradiada em uma amostra de perovskita resfriada a menos 269 graus Celsius.

"Os pulsos irradiam a amostra em intervalos rigidamente controlados. Modificando os intervalos e detectando a luz emitida pela amostra em função do intervalo, podemos analisar a interação elétron-luz e sua dinâmica com alta precisão temporal, mapeando os tempos de interação típicos, os níveis de energia com os quais eles se acoplam, e as interações com outras partículas, "Disse Padilha.

A técnica MDCS pode ser usada para analisar bilhões de nanopartículas ao mesmo tempo e para distinguir entre diferentes famílias de nanopartículas presentes na amostra.

O sistema experimental foi desenvolvido por uma equipe liderada por Steven Cundiff, investigador principal do estudo na Universidade de Michigan. Algumas das medições foram feitas por Diogo Almeida, ex-integrante da equipe de Cundiff e hoje no laboratório de espectroscopia ultrarrápida da UNICAMP com bolsa de pós-doutorado da FAPESP sob orientação de Padilha.

Os pontos quânticos foram sintetizados por Luiz Gustavo Bonato, um Ph.D. Candidato ao Instituto de Química da UNICAMP. "O cuidado que Bonato teve ao preparar os pontos quânticos e seu protocolo foi de fundamental importância, como evidenciado por sua qualidade e tamanho, e pelas propriedades do material nanométrico, "disse Ana Flávia Nogueira, co-pesquisador principal do estudo no Brasil. Nogueira é professora do Instituto de Química (IQ-UNICAMP) e pesquisadora principal da Divisão de Pesquisa 1 do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE), um Centro de Pesquisa em Engenharia (ERC) estabelecido pela FAPESP e Shell.

“Os resultados obtidos são muito importantes, pois o conhecimento das propriedades ópticas do material e de como seus elétrons se comportam abre oportunidades para o desenvolvimento de novas tecnologias em óptica e eletrônica de semicondutores. A incorporação da perovskita tem grande probabilidade de ser a característica mais marcante da a próxima geração de aparelhos de televisão, "Disse Nogueira.