Quantum dots laten stoppen met knipperen

Quantum dots, ontdekt in de jaren negentig, hebben een breed scala aan toepassingen en zijn misschien het best bekend voor het produceren van levendige kleuren in sommige high-end televisies. Maar voor sommige mogelijke toepassingen, zoals het volgen van biochemische routes van een medicijn terwijl het interageert met levende cellen, wordt de voortgang belemmerd door één schijnbaar oncontroleerbare eigenschap: de neiging om met willekeurige tussenpozen weg te knipperen. Dat maakt niet uit wanneer de punten in het totaal worden gebruikt, zoals in tv-schermen, maar voor precisietoepassingen kan het een aanzienlijk nadeel zijn.

Nu heeft een team van scheikundigen van het MIT een manier bedacht om dit ongewenste knipperen onder controle te houden zonder enige wijziging van de formulering of het productieproces. Door een straal mid-infrarood laserlicht gedurende een oneindig klein moment af te vuren – een paar biljoensten van een seconde – wordt het knipperen van de kwantumstip voor een relatief lange periode geëlimineerd, tientallen miljarden keren langer dan de laserpuls.

De nieuwe techniek wordt beschreven in een artikel dat in het tijdschrift verschijnt Natuur Nanotechnologie, door promovendi Jiaojian Shi, Weiwei Sun en Hendrik Utzat, hoogleraren scheikunde Keith Nelson en Moungi Bawendi, en vijf anderen aan het MIT.

Quantum dots zijn kleine deeltjes van slechts enkele nanometers in doorsnee, gemaakt van halfgeleidermateriaal, dat een “bandgap” heeft tussen de energieniveaus van zijn elektronen. Wanneer dergelijke materialen energie krijgen van licht dat erop schijnt, kunnen elektronen naar een hogere energieband springen; wanneer ze terugkeren naar hun vorige niveau, komt energie vrij in de vorm van een foton, een lichtdeeltje. De frequentie van dit licht, dat de kleur bepaalt, kan nauwkeurig worden afgesteld door de vormen en afmetingen van de stippen te selecteren. Naast beeldschermen kunnen kwantumdots worden gebruikt als zonnecellen, transistors, lasers en kwantuminformatie-apparaten.

Het knipperende fenomeen werd voor het eerst waargenomen in de jaren negentig, kort nadat de kwantumstippen voor het eerst werden gemaakt. “Vanaf die tijd,” zegt Bawendi, “zou ik presentaties geven [about quantum dots], en mensen zouden zeggen, ‘laat dit maar verdwijnen!’ Er is dus veel moeite gedaan om het te elimineren door de interface tussen de stip en zijn omgeving te ontwerpen of door andere moleculen toe te voegen. Maar geen van deze dingen werkte echt goed of was erg reproduceerbaar.”

“We weten dat we voor sommige toepassingen van kwantuminformatie een perfecte emitterbron met één foton willen”, legt Sun uit. Maar met de momenteel beschikbare kwantumdots, die anders zeer geschikt zouden zijn voor dergelijke toepassingen, “zullen ze willekeurig worden uitgeschakeld, en dit is eigenlijk schadelijk voor alle toepassingen die de fotoluminescentie van de stippen gebruiken.”

Maar nu, zegt ze, dankzij het onderzoek van het team, “gebruiken we deze ultrasnelle midden-infraroodpulsen, en de kwantumstippen kunnen in de ‘aan’-status blijven. Dit kan mogelijk erg handig zijn voor toepassingen, zoals in kwantuminformatie wetenschap, waar je echt een heldere bron van enkele fotonen nodig hebt zonder enige onderbreking.”

Evenzo is het elimineren van het knipperen essentieel voor biomedische onderzoekstoepassingen, zegt Shi. “Er zijn veel biologische processen die echt visualisatie vereisen met een stabiele fotoluminescente tag, zoals tracking-applicaties. Als we bijvoorbeeld medicijnen nemen, wil je visualiseren hoe die medicijnmoleculen in de cel worden geïnternaliseerd en waar in de subcellulaire organellen het eindigen.” Dit zou kunnen leiden tot efficiëntere processen voor het ontdekken van geneesmiddelen, zegt hij, “maar als de kwantumstippen veel beginnen te knipperen, verlies je in feite uit het oog waar het molecuul is.”

Nelson, de Haslam en Dewey hoogleraar scheikunde, legt uit dat de oorzaak van het knipperende fenomeen waarschijnlijk te maken heeft met extra elektrische ladingen, zoals extra elektronen, die zich hechten aan het buitenste deel van de kwantumstippen, waardoor de oppervlakte-eigenschappen veranderen zodat er zijn andere alternatieve wegen om de extra energie vrij te geven in plaats van door licht uit te zenden.

“Er kunnen verschillende dingen gebeuren in een echte omgeving”, zegt Nelson, “zodat er misschien ergens aan de oppervlakte een elektron op de kwantumstip is geglomd.” In plaats van elektrisch neutraal te zijn, heeft de kwantumdot nu een netto lading, en hoewel hij nog steeds kan terugkeren naar zijn grondtoestand door een foton uit te zenden, “opent de extra lading helaas ook een hele reeks extra paden voor de aangeslagen toestand van het elektron om terugkeren naar de grondtoestand zonder een foton uit te zenden”, bijvoorbeeld door in plaats daarvan warmte af te geven.

Maar wanneer ze worden gezapt met een uitbarsting van midden-infrarood licht, hebben de extra ladingen de neiging om van het oppervlak te worden geslagen, waardoor de kwantumstippen stabiele emissies kunnen produceren en stoppen met knipperen.

Het blijkt, zegt Utzat, dat dit “een zeer algemeen proces” is dat nuttig zou kunnen blijken te zijn voor het omgaan met afwijkende intermitterende storingen in sommige andere apparaten, zoals in zogenaamde stikstofvacaturecentra in diamant, die worden gebruikt voor microscopie met ultrahoge resolutie en als bronnen van enkelvoudige fotonen in optische kwantumtechnologieën. “Hoewel we het voor slechts één soort werkpaardmateriaal hebben aangetoond, de kwantumdot, geloof ik dat we deze methode op andere emitters kunnen toepassen”, zegt hij. “Ik denk dat het fundamentele effect van het gebruik van dit mid-infraroodlicht van toepassing is op een breed scala aan verschillende materialen.”

Nelson zegt dat het effect mogelijk niet beperkt is tot de midden-infraroodpulsen, die momenteel afhankelijk zijn van omvangrijke en dure laboratoriumlaserapparatuur en nog niet klaar zijn voor commerciële toepassingen. Hetzelfde principe zou zich ook kunnen uitstrekken tot terahertz-frequenties, zegt hij, een gebied dat in zijn lab en anderen in ontwikkeling is geweest en dat in principe zou kunnen leiden tot veel kleinere en goedkopere apparaten.

Het onderzoeksteam omvatte ook Ardavan Farahvash, Frank Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov en Adam Willard, allemaal aan het MIT. Het werk werd ondersteund door het US Army Research Lab en het US Army Research Office via het Institute for Soldier Nanotechnologies, het US Department of Energy en het Samsung Global Outreach Program.