Quantum dots, som upptäcktes på 1990-talet, har ett brett utbud av tillämpningar och är kanske mest kända för att producera levande färger i vissa avancerade tv-apparater. Men för vissa potentiella användningsområden, som att spåra biokemiska vägar för ett läkemedel när det interagerar med levande celler, har framstegen hämmats av en till synes okontrollerbar egenskap:en tendens att blinka av med slumpmässiga intervall. Det spelar ingen roll när prickarna används i aggregatet, som i TV-skärmar, men för precisionsapplikationer kan det vara en betydande nackdel.

Nu har ett team av kemister vid MIT kommit på ett sätt att kontrollera denna oönskade blinkning utan att kräva någon modifiering av formuleringen eller tillverkningsprocessen. Genom att avfyra en stråle av medelinfrarött laserljus i ett oändligt litet ögonblick – några biljondelar av en sekund – elimineras kvantpunktens blinkande under en relativt lång period, tiotals miljarder gånger längre än laserpulsen.

Den nya tekniken beskrivs i en artikel som publiceras i tidskriften Nature Nanotechnology , av doktoranderna Jiaojian Shi, Weiwei Sun och Hendrik Utzat, professorerna i kemi Keith Nelson och Moungi Bawendi, och fem andra vid MIT.

Kvantprickar är små partiklar, bara några nanometer i diameter, gjorda av halvledarmaterial, som har ett "bandgap" mellan energinivåerna för dess elektroner. När sådana material får energi från ljus som lyser på dem, kan elektroner hoppa till ett högre energiband; när de återgår till sin tidigare nivå frigörs energi i form av en foton, en ljuspartikel. Frekvensen av detta ljus, som bestämmer dess färg, kan justeras exakt genom att välja form och dimensioner på prickarna. Förutom bildskärmar har kvantprickar potential för användning som solceller, transistorer, lasrar och kvantinformationsenheter.

Det blinkande fenomenet observerades först på 1990-talet, strax efter att kvantprickar först gjordes. "Från den tiden," säger Bawendi, "skulle jag hålla presentationer [om kvantprickar], och folk skulle säga, 'bara få det här att försvinna!' Så mycket ansträngning lades ner på att försöka eliminera det genom att konstruera gränssnittet mellan punkten och dess miljö, eller genom att lägga till andra molekyler. Men ingen av dessa saker fungerade riktigt bra eller var mycket reproducerbara."

"Vi vet att för vissa kvantinformationstillämpningar vill vi ha en perfekt enfotonemitterkälla", förklarar Sun. Men med för närvarande tillgängliga kvantprickar, som annars kan vara väl lämpade för sådana applikationer, "kommer de att stängas av slumpmässigt, och detta är faktiskt skadligt för alla applikationer som använder fotoluminescensen från prickarna."

Men nu, säger hon, tack vare teamets forskning, "använder vi dessa ultrasnabba mellaninfraröda pulser, och kvantprickarna kan stanna i "på" tillstånd. Detta kan potentiellt vara mycket användbart för applikationer, som i kvantinformation vetenskap, där du verkligen behöver en ljus källa av enstaka fotoner utan intermittens."

På samma sätt, för biomedicinska forskningsapplikationer, är det viktigt att eliminera blinkningen, säger Shi. "Det finns många biologiska processer som verkligen kräver visualisering med en stadig fotoluminescerande tagg, som spårningsapplikationer. Till exempel, när vi tar mediciner, vill du visualisera hur dessa läkemedelsmolekyler internaliseras i cellen och var i de subcellulära organellerna de hamnar." Detta kan leda till effektivare läkemedelsupptäcktsprocesser, säger han, "men om kvantprickarna börjar blinka mycket tappar du i princip koll på var molekylen är."

Nelson, som är Haslam och Dewey professor i kemi, förklarar att orsaken till det blinkande fenomenet troligen har att göra med att extra elektriska laddningar, såsom extra elektroner, fäster till den yttre delen av kvantprickarna, förändrar ytegenskaperna så att det finns andra alternativa vägar för att den extra energin ska frigöras istället för att sända ut ljus.

"Olika saker kan hända i en verklig miljö," säger Nelson, "så att kvantpunkten kanske har en elektron glommed på den någonstans på ytan." Istället för att vara elektriskt neutral har kvantpunkten nu en nettoladdning, och även om den fortfarande kan återgå till sitt grundtillstånd genom att sända ut en foton, "öppnar den extra laddningen tyvärr också en hel massa ytterligare vägar för elektronens exciterade tillstånd att återgå till grundtillståndet utan att avge en foton", till exempel genom att avge värme istället.

Men när de zappas med en explosion av mellaninfrarött ljus tenderar extraladdningarna att slås av ytan, vilket gör att kvantprickarna kan producera stabila utsläpp och sluta blinka.

Det visar sig, säger Utzat, att detta är "en mycket allmän process", som kan visa sig vara användbar för att hantera avvikande intermittenser i vissa andra enheter, till exempel i så kallade kvävevakanscenter i diamant, som utnyttjas för ultrahögupplösningsmikroskopi och som källor till enstaka fotoner i optisk kvantteknologi. "Även om vi bara har visat det för en sorts arbetshästmaterial, kvantpunkten, tror jag att vi kan tillämpa den här metoden på andra sändare", säger han. "Jag tror att den grundläggande effekten av att använda detta mellaninfraröda ljus är tillämpbar på en mängd olika material."

Nelson säger att effekten inte heller är begränsad till de mellaninfraröda pulserna, som för närvarande är beroende av skrymmande och dyr laboratorielaserutrustning och ännu inte är redo för kommersiella tillämpningar. Samma princip kan även sträcka sig till terahertz-frekvenser, säger han, ett område som har varit under utveckling i hans labb och andra och som i princip kan leda till mycket mindre och billigare enheter.

Forskargruppen inkluderade också Ardavan Farahvash, Frank Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov och Adam Willard, alla vid MIT. Arbetet stöddes av U.S. Army Research Lab och U.S. Army Research Office genom Institute for Soldier Nanotechnologies, U.S.A. Department of Energy och Samsung Global Outreach Program. + Utforska vidare

Ljusemitterande MXene-kvantprickar