Os pontos quânticos, descobertos na década de 1990, têm uma ampla gama de aplicações e talvez sejam mais conhecidos por produzir cores vivas em alguns televisores de última geração. Mas para alguns usos potenciais, como rastrear caminhos bioquímicos de uma droga enquanto ela interage com células vivas, o progresso foi prejudicado por uma característica aparentemente incontrolável:uma tendência a piscar em intervalos aleatórios. Isso não importa quando os pontos são usados ​​em conjunto, como nas telas de TV, mas para aplicações de precisão pode ser uma desvantagem significativa.
Agora, uma equipe de químicos do MIT criou uma maneira de controlar esse piscar indesejado sem exigir nenhuma modificação na formulação ou no processo de fabricação. Ao disparar um feixe de luz laser de infravermelho médio por um momento infinitesimal - alguns trilionésimos de segundo - o piscar do ponto quântico é eliminado por um período relativamente longo, dezenas de bilhões de vezes mais longo que o pulso do laser.

A nova técnica é descrita em um artigo publicado na revista Nature Nanotechnology , pelos doutorandos Jiaojian Shi, Weiwei Sun e Hendrik Utzat, professores de química Keith Nelson e Moungi Bawendi, e outros cinco do MIT.

Os pontos quânticos são partículas minúsculas, com apenas alguns nanômetros de diâmetro, feitas de material semicondutor, que tem um "bandgap" entre os níveis de energia de seus elétrons. Quando tais materiais ganham energia com a luz que incide sobre eles, os elétrons podem saltar para uma banda de energia mais alta; quando eles voltam ao seu nível anterior, a energia é liberada na forma de um fóton, uma partícula de luz. A frequência dessa luz, que determina sua cor, pode ser ajustada com precisão selecionando as formas e dimensões dos pontos. Além das telas de exibição, os pontos quânticos têm potencial para uso como células solares, transistores, lasers e dispositivos de informação quântica.

O fenômeno do piscar foi observado pela primeira vez na década de 1990, logo após os primeiros pontos quânticos serem feitos. "Daquele momento em diante", diz Bawendi, "eu fazia apresentações [sobre pontos quânticos], e as pessoas diziam:'faça isso desaparecer!' Então, muito esforço foi feito para tentar eliminá-lo pela engenharia da interface entre o ponto e seu ambiente, ou pela adição de outras moléculas. Mas nenhuma dessas coisas realmente funcionou bem ou foi muito reproduzível."

“Sabemos que, para algumas aplicações de informação quântica, queremos uma fonte emissora perfeita de um único fóton”, explica Sun. Mas com os pontos quânticos atualmente disponíveis, que de outra forma poderiam ser adequados para tais aplicações, “eles serão desligados aleatoriamente, e isso é realmente prejudicial para qualquer um dos aplicativos que utilizam a fotoluminescência dos pontos”.

Mas agora, ela diz, graças à pesquisa da equipe, "usamos esses pulsos de infravermelho médio ultrarrápidos, e os pontos quânticos podem permanecer no estado 'ligado'. Isso pode ser muito útil para aplicações, como em informações quânticas. ciência, onde você realmente precisa de uma fonte brilhante de fótons únicos sem qualquer intermitência."

Da mesma forma, para aplicações de pesquisa biomédica, eliminar o piscar é essencial, diz Shi. "Existem muitos processos biológicos que realmente exigem visualização com uma etiqueta fotoluminescente constante, como aplicativos de rastreamento. Por exemplo, quando tomamos medicamentos, você deseja visualizar como essas moléculas de drogas estão sendo internalizadas na célula e onde estão nas organelas subcelulares. termina." Isso pode levar a processos de descoberta de drogas mais eficientes, diz ele, "mas se os pontos quânticos começarem a piscar muito, você basicamente perde a noção de onde está a molécula".

Nelson, que é o professor de química Haslam e Dewey, explica que a causa do fenômeno de piscar provavelmente tem a ver com cargas elétricas extras, como elétrons extras, ligados à parte externa dos pontos quânticos, alterando as propriedades da superfície para que existem outros caminhos alternativos para que a energia extra seja liberada em vez de emitir luz.

"Várias coisas podem acontecer em um ambiente real", diz Nelson, "tal que talvez o ponto quântico tenha um elétron aglomerado em algum lugar na superfície". Em vez de ser eletricamente neutro, o ponto quântico agora tem uma carga líquida e, embora ainda possa retornar ao seu estado fundamental emitindo um fóton, "a carga extra, infelizmente, também abre um monte de caminhos adicionais para o estado excitado do elétron para retornar ao estado fundamental sem emitir um fóton", por exemplo, liberando calor.

Mas quando atingidos por uma explosão de luz infravermelha média, as cargas extras tendem a ser derrubadas da superfície, permitindo que os pontos quânticos produzam emissões estáveis ​​e parem de piscar.

Acontece, diz Utzat, que este é "um processo muito geral", que pode ser útil para lidar com a intermitência anômala em alguns outros dispositivos, como nos chamados centros de vacância de nitrogênio no diamante, que estão sendo aproveitados para microscopia de ultra-alta resolução e como fontes de fótons únicos em tecnologias quânticas ópticas. "Embora tenhamos mostrado isso para apenas um tipo de material pesado, o ponto quântico, acredito que podemos aplicar esse método a outros emissores", diz ele. "Acho que o efeito fundamental do uso dessa luz infravermelha média é aplicável a uma ampla variedade de materiais diferentes."

Nelson diz que o efeito também pode não se limitar aos pulsos de infravermelho médio, que atualmente dependem de equipamentos de laser de laboratório volumosos e caros e ainda não estão prontos para aplicações comerciais. O mesmo princípio também pode se estender às frequências terahertz, diz ele, uma área que está em desenvolvimento em seu laboratório e em outros e que, em princípio, poderia levar a dispositivos muito menores e menos caros.

A equipe de pesquisa também incluiu Ardavan Farahvash, Frank Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov e Adam Willard, todos do MIT. O trabalho foi apoiado pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA por meio do Institute for Soldier Nanotechnologies, do Departamento de Energia dos EUA e do Samsung Global Outreach Program. + Explorar mais

Pontos quânticos MXene emissores de luz