Os pontos quânticos, descobertos na década de 1990, têm uma ampla gama de aplicações e talvez sejam mais conhecidos por produzir cores vivas em algumas televisões de última geração. Mas, para alguns usos potenciais, como rastrear vias bioquímicas de uma droga à medida que 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 no agregado, como em telas de TV, mas para aplicações de precisão pode ser uma desvantagem significativa.
Agora, uma equipe de químicos do MIT descobriu uma maneira de controlar esse piscar indesejado sem a necessidade de qualquer modificação na formulação ou no processo de fabricação. Ao disparar um feixe de laser 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 do que o pulso do laser.
A nova técnica é descrita em um artigo publicado na revista Nature Nanotechnology, pelos alunos de doutorado Jiaojian Shi, Weiwei Sun e Hendrik Utzat, professores de química Keith Nelson e Moungi Bawendi, e cinco outros do MIT.
Os pontos quânticos são partículas minúsculas, com apenas alguns nanômetros de diâmetro, feitas de material semicondutor, que tem um “intervalo” entre os níveis de energia de seus elétrons. Quando esses materiais ganham energia com a luz que incide sobre eles, os elétrons podem saltar para uma faixa de energia mais alta; quando eles voltam ao 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 de piscar foi observado pela primeira vez na década de 1990, logo depois que os pontos quânticos foram feitos pela primeira vez. “Daquele momento em diante”, diz Bawendi, ?eu faria apresentações [sobre os pontos quânticos] e as pessoas diriam, ‘apenas faça isso ir embora!’ 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 era muito reproduzível. ”
“Sabemos que, para algumas aplicações de informação quântica, queremos uma fonte emissora de fóton único perfeita”, explica Sun. Mas com os pontos quânticos disponíveis atualmente, que de outra forma poderiam ser adequados para tais aplicações, “eles serão desligados aleatoriamente, e isso é prejudicial para qualquer uma das aplicações que utilizam a fotoluminescência dos pontos.”
Mas agora, diz ela, graças à pesquisa da equipe, “usamos esses pulsos infravermelhos médios ultrarrápidos, e os pontos quânticos podem ficar no estado ‘ligado’. Isso pode ser potencialmente 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 requerem visualização com uma etiqueta fotoluminescente estável, como aplicativos de rastreamento. Por exemplo, quando tomamos medicamentos, você deseja visualizar como essas moléculas de drogas estão sendo internalizadas na célula e onde isso ocorre nas organelas subcelulares. termina.” Isso poderia levar a processos de descoberta de drogas mais eficientes, diz ele, “mas se os pontos quânticos começarem a piscar muito, você basicamente perderá a noção de onde está a molécula”.
Nelson, que é Haslam e Dewey Professor de Química, explica que a causa do fenômeno de piscar provavelmente tem a ver com cargas elétricas extras, como elétrons extras, anexando-se à parte externa dos pontos quânticos, alterando as propriedades da superfície de modo que existem outros caminhos alternativos para a energia extra ser liberada em vez de pela emissão de luz.
“Várias coisas podem acontecer em um ambiente real”, diz Nelson, “de tal forma que talvez o ponto quântico tenha um elétron colado nele em algum lugar da 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 retornar ao estado fundamental sem emitir um fóton “, por exemplo, liberando calor.
Mas quando eletrocutados por uma explosão de luz infravermelha média, as cargas extras tendem a ser arrancadas 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 vir a ser útil para lidar com intermitência anômala em alguns outros dispositivos, como nos chamados centros de vacância de nitrogênio no diamante, que estão sendo aproveitados para microscopia de resolução ultra-alta e como fontes de fótons únicos em tecnologias quânticas ópticas. “Mesmo que o tenhamos mostrado para apenas um tipo de material burro de carga, o ponto quântico, acredito que podemos aplicar esse método a outros emissores”, diz ele. “Acho que o efeito fundamental de usar essa luz infravermelha média é aplicável a uma ampla variedade de materiais diferentes.”
Nelson diz que o efeito também pode não estar limitado 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 de terahertz, diz ele, uma área que está sendo desenvolvida em seu laboratório e em outros e que, em princípio, pode levar a dispositivos muito menores e mais baratos.
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.
Publicado em 24/11/2021 01h47
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