En ny uppsats av University of Notre Dame fysiker Boldizsár Jankó och kollegor erbjuder en viktig ny förståelse för ett bestående mysterium i kemisk fysik.

För mer än ett sekel sedan, i gryningen av modern kvantmekanik, den nobelprisvinnande fysikern Neils Bohr förutspådde så kallade ”kvanthopp”. Han förutspådde att dessa hopp skulle bero på att elektroner gjorde övergångar mellan diskreta energinivåer för enskilda atomer och molekyler. Även om det var kontroversiellt på Bohrs tid, sådana kvantehopp observerades experimentellt, och hans förutsägelse verifierad, på 1980 -talet. På senare tid, med utvecklingen av enkelmolekylbildningstekniker i början av 1990 -talet, det har varit möjligt att observera liknande hopp i enskilda molekyler.

Experimentellt, dessa kvanthopp översätts till diskreta avbrott i det kontinuerliga utsläppet från enstaka molekyler, avslöjar ett fenomen som kallas fluorescerande intermittens eller "blinkande".

Dock, medan vissa ögonblick av blinkning direkt kan tillskrivas Bohrs ursprungliga kvanthopp, det finns många fler fall där den observerade fluorescensintermittensen inte följer hans förutsägelser. Specifikt, i så olika system som fluorescerande proteiner, enda molekyler och ljusskördskomplex, enda organiska fluoroforer, och, senast, individuella oorganiska nanostrukturer, tydliga avvikelser från Bohrs förutsägelser inträffar.

Som en konsekvens, praktiskt taget alla kända fluoroforer, inklusive fluorescerande kvantpunkter, stavar och trådar, uppvisar oförklarliga episoder av intermittent blinkande i deras utsläpp.

Den rådande visdomen inom kvantmekanikens område var att de blinkande episoderna inte var korrelerade. Dock, vid en konferens 2007 om fenomenet sponsrat av Notre Dame Institute for Theoretical Sciences, som Jankó regisserar, Fernando Stefani från University of Buenos Aires presenterade forskning som tyder på att det fanns, faktiskt, samband mellan dessa händelser på och av. Ingen teoretisk modell tillgänglig vid den tiden kunde förklara dessa samband.

År 2008 Naturfysik papper, Jankó och en grupp forskare som inkluderade Notre Dame kemiprofessor Ken Kuno, fysikbesökande biträdande professor Pavel Frantsuzov och nobelpristagare Rudolph Marcus föreslog att intervallerna på och av tid för intermittenta nanokristallkvantpunkter följer universella maktlagsfördelningar. Upptäckten gav Jankó och andra forskare inom fältet de första tipsen för att utveckla en djupare inblick i den fysiska mekanismen bakom det stora utbudet av on- och off-tider i intermitten.

I ett nytt papper som visas i tidningen Nano bokstäver , Jankó, Frantsuzov och Notre Dame doktorand Sándor Volkán-Kascó avslöjar att de har utvecklat en modell för de blinkande fenomenen som bekräftar vad Stefani observerat experimentellt. Fyndet är en viktig bekräftelse på att det finns ett starkt samband mellan av- och på -fenomenet.

Om blinkningsprocessen kunde kontrolleras, kvantprickar kan, till exempel, ge bättre, mer stabil avbildning av cancerceller; ge forskare bilder i realtid av en virusinfektion, som hiv, i en cell; leda till utvecklingen av en ny generation ljusare skärmar för datorer, mobiltelefoner och andra elektroniska applikationer; och till och med förbättrade belysningsarmaturer för hem och kontor.

De Nano bokstäver papper representerar ett annat viktigt steg för att förstå ursprunget till det blinkande fenomenet och identifiera sätt att styra processen.