Nya insikter om levande celler, ljusare videoprojektorer och mer exakta medicinska tester är bara tre av innovationerna som kan bli resultatet av ett nytt sätt att tillverka lasrar.

Den nya metoden, utvecklad av ett internationellt forskarlag från U of T Engineering, Vanderbilt University, Los Alamos National Laboratory och andra, producerar kontinuerligt laserljus som är ljusare, billigare och mer justerbara än nuvarande enheter genom att använda nanopartiklar som kallas kvantprickar.

"Vi har arbetat med kvantprickar i mer än ett decennium, " säger Ted Sargent, en professor vid Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical &Computer Engineering vid U of T. "De är mer än fem tusen gånger mindre än bredden på ett människohår, som gör det möjligt för dem att sträcka sig över kvantfysikens världar och klassisk fysik och ger dem användbara optiska egenskaper."

"Kvantpunkter är välkända ljussändare, " säger Alex Voznyy, en senior forskarassistent i Sargents labb. "De kan absorbera mycket energi och återutsända den vid en viss frekvens, vilket gör dem till ett särskilt lämpligt material för laser."

Genom att noggrant kontrollera storleken på kvantprickarna, forskarna i Sargents labb kan "justera" frekvensen, eller färg, av det utsända ljuset till valfritt värde. Däremot de flesta kommersiella lasrar är begränsade till en specifik frekvens, eller ett mycket litet intervall, definieras av materialen de är gjorda av.

Möjligheten att producera en laser av vilken frekvens som helst från ett enda material skulle ge ett uppsving för forskare som vill studera sjukdomar på nivån av vävnader eller enskilda celler genom att erbjuda nya verktyg för att undersöka biokemiska reaktioner. De skulle också kunna möjliggöra laserdisplayprojektorer som skulle vara ljusare och mer energieffektiva än nuvarande LCD-teknik.

Men även om kolloidala kvantprickars förmåga att producera laserljus först demonstrerades av medförfattaren Victor Klimov och hans team vid Los Alamos National Laboratory för mer än 15 år sedan, kommersiell tillämpning har förblivit svårfångad. Ett huvudproblem har varit att fram till nu, mängden ljus som behövs för att excitera kvantprickarna för att producera laserljus har varit mycket hög.

"Du måste stimulera lasern med mer och mer kraft, men det finns en hel del värmeförluster också, ", säger Voznyy. "Till slut blir det så varmt att det bara brinner." De flesta kvantpunktslasrar är begränsade till ljuspulser som varar bara några nanosekunder – miljarddelar av en sekund.

Laget, som inkluderade Voznyy, postdoktorala forskarna Fengjia Fan och Randy Sabatini och MASc-kandidaten Kris Bicanic, övervann detta problem genom att ändra formen på kvantprickarna, snarare än deras storlek. De kunde skapa kvantprickar med en sfärisk kärna och ett skal format som en kägla, en M&M eller ett flygande tefat – en "knäckt" sfärisk form känd som en oblate sfäroid.

Missmatchningen mellan formen på kärnan och skalet introducerar en spänning som påverkar kvantpunktens elektroniska tillstånd, sänker mängden energi som behövs för att utlösa lasern. Som rapporterats i en tidning som publicerades idag i Natur , innovationen innebär att kvantprickarna inte längre riskerar att överhettas, så att den resulterande lasern kan avfyras kontinuerligt.

Medan kvantprickar ofta byggs genom att deponera molekyler en i taget i ett vakuum, Sargents team blandar ihop flytande lösningar som innehåller olika quantum dot prekursorer. När lösningarna reagerar, de producerar fasta kvantprickar som förblir svävande i vätskan - dessa är kända som kolloidala kvantprickar. Teamets nyckelinnovation var att lägga till specifika kapslingsmolekyler i mixen, vilket gjorde det möjligt för dem att kontrollera formen på partiklarna för att erhålla de önskade egenskaperna, ett tillvägagångssätt som Fan kallar "smart kemi".

"Lösningsbaserad bearbetning minskar avsevärt kostnaden för att göra kvantprickar, " säger Fan. "Det kommer också att göra det lättare att skala upp produktionen, eftersom vi kan använda tekniker som redan är etablerade i tryckeribranschen."

I projektet ingick ett antal nationella och internationella partners. Datorsimuleringar i samarbete med University of Ottawa och National Research Council styrde utformningen av kvantprickarna. Analytiska tester från Vanderbilts Institute of Nanoscale Science and Engineering i Nashville, TN, samt University of New Mexicos Center for High Technology Materials i Albuquerque, NM och Los Alamos bekräftade att slutprodukterna hade önskad form, sammansättning och beteende genom att analysera individuella kvantprickar på atomnivå.

"Vi imponerades inte bara av själva den konstruerade strukturen utan också av nivån av enhetlighet de har uppnått, säger Sandra Rosenthal, chef för Vanderbilt Institute for Nanoscale Science and Engineering. "Sargents team har lyckats skapa kvantprickar med en unik och elegant struktur. Det här är spännande forskning."

Teamet har mer att göra innan de kan se till kommersialisering. "För denna proof-of-concept-enhet, vi spännande kvantprickarna med ljus, " säger Sabatini. "I slutändan, vi vill flytta till att spännande dem med el. Vi vill också skala upp effekten till milliwatt eller till och med watt. Om vi ​​kan göra det, då blir det viktigt för laserprojektion."