Kvantprickar är konstgjorda nanopartiklar av halvledande material som bara består av några tusen atomer. På grund av det lilla antalet atomer, en kvantpunkts egenskaper ligger mellan egenskaperna hos enskilda atomer eller molekyler och bulkmaterial med ett stort antal atomer. Genom att ändra nanopartiklarnas storlek och form, det är möjligt att finjustera deras elektroniska och optiska egenskaper – hur elektroner binder och rör sig genom materialet, och hur ljus absorberas och avges av det.

Tack vare allt mer förfinad kontroll av nanopartiklarnas storlek och form, antalet kommersiella ansökningar har ökat. De som redan är tillgängliga inkluderar lasrar, lysdioder, och TV-apparater med quantum dot-teknik.

Dock, det finns ett problem som kan försämra effektiviteten hos enheter eller apparater som använder detta nanomaterial som ett aktivt medium. När ljus absorberas av ett material, elektronerna befordras till högre energinivåer, och när de återgår till sitt grundläggande tillstånd, var och en kan sända en foton tillbaka till miljön. I konventionella kvantprickar kan elektronens återresa till sitt fundamentala tillstånd störas av olika kvantfenomen, fördröja utsläppet av ljus till utsidan.

Fängelse av elektroner på detta sätt, känd som "mörkt tillstånd, "fördröjer emissionen av ljus, i motsats till vägen som låter dem snabbt återgå till det grundläggande tillståndet och därmed sända ut ljus mer effektivt och direkt ("ljusstillstånd").

Denna fördröjning kan vara kortare i en ny klass av nanomaterial gjorda av perovskit, vilket väcker stort intresse bland forskare inom materialvetenskap till följd av detta.

En studie utförd av forskare vid kemi- och fysikinstituten vid University of Campinas (UNICAMP) i delstaten São Paulo, Brasilien, i samarbete med forskare vid University of Michigan i USA, tagit steg i denna riktning genom att ge nya insikter i den grundläggande fysiken för perovskitkvantprickar. En artikel om studien publiceras i Vetenskapens framsteg .

"Vi använde koherent spektroskopi, vilket gjorde det möjligt för oss att separat analysera elektronernas beteende i varje nanomaterial i en ensemble av tiotals miljarder nanomaterial. Studien är banbrytande såtillvida att den kombinerar en relativt ny klass av nanomaterial - perovskit - med en helt ny detektionsteknik, " Lázaro Padilha Junior, huvudutredare för projektet på den brasilianska sidan, berättade för Agência FAPESP.

FAPESP stödde studien via ett Young Investigator Grant och ett reguljärt forskningsstipendium som tilldelades Padilha.

"Vi kunde verifiera energianpassningen mellan det ljusa tillståndet [associerat med trillingar] och det mörka tillståndet [associerat med singletter], anger hur denna inriktning beror på storleken på nanomaterialet. Vi gjorde också upptäckter angående interaktionerna mellan dessa stater, öppna möjligheter för användning av dessa system inom andra teknikområden, såsom kvantinformation, " sa Padilha.

"På grund av perovskitens kristallstruktur, nivån av ljus energi delar sig i tre, bildar en triplett. Detta ger olika vägar för excitation och för elektronerna att återgå till grundtillståndet. Det mest slående resultatet av studien var att genom att analysera livslängden för vart och ett av de tre ljusa tillstånden och egenskaperna hos signalen som sänds ut av provet fick vi bevis för att det mörka tillståndet är närvarande men beläget på en högre energinivå än två av de tre ljusa tillstånd. Detta innebär att när ljus lyser på provet fångas de exciterade elektronerna endast om de upptar den högsta ljusnivån och sedan flyttas till det mörka tillståndet. Om de upptar de lägre ljusnivåerna, de återgår till det grundläggande tillståndet mer effektivt."

För att studera hur elektroner interagerar med ljus i dessa material, gruppen använde multidimensionell koherent spektroskopi (MDCS), där en skur av ultrakorta laserpulser (var och en varar cirka 80 femtosekunder, eller 80 kvadrilliondelar av en sekund) strålas mot ett prov av perovskit kylt till minus 269 grader Celsius.

"Pulserna bestrålar provet med snävt kontrollerade intervall. Genom att modifiera intervallen och detektera ljuset som sänds ut av provet som en funktion av intervallet, vi kan analysera elektron-ljusinteraktionen och dess dynamik med hög tidsprecision, kartlägga de typiska interaktionstiderna, energinivåerna som de kopplar ihop med, och interaktioner med andra partiklar, " sa Padilha.

MDCS-tekniken kan användas för att analysera miljarder nanopartiklar samtidigt och för att skilja mellan olika familjer av nanopartiklar som finns i provet.

Det experimentella systemet utvecklades av ett team ledd av Steven Cundiff, huvudforskare för studien vid University of Michigan. Några av mätningarna gjordes av Diogo Almeida, en tidigare medlem av Cundiffs team och nu vid UNICAMPs ultrasnabba spektroskopilaboratorium med ett postdoktoralt stipendium från FAPESP under Padilhas ledning.

Kvantprickar syntetiserades av Luiz Gustavo Bonato, en Ph.D. kandidat vid UNICAMPs Chemistry Institute. "Den omsorg Bonato tog i förberedelserna av kvantprickarna och hans protokoll var fundamentalt viktiga, vilket framgår av deras kvalitet och storlek, och genom egenskaperna hos det nanometriska materialet, sa Ana Flávia Nogueira, medansvarig utredare för studien i Brasilien. Nogueira är professor vid Chemistry Institute (IQ-UNICAMP) och huvudforskare för forskningsavdelning 1 vid Centre for Innovation in New Energies (CINE), ett Engineering Research Center (ERC) etablerat av FAPESP och Shell.

"De erhållna resultaten är mycket viktiga eftersom kunskap om materialets optiska egenskaper och hur dess elektroner beter sig öppnar möjligheter för utveckling av ny teknologi inom halvledaroptik och elektronik. Införandet av perovskit är högst sannolikt det mest utmärkande kännetecknet för nästa generations tv-apparater, " sa Nogueira.