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Investigadores de ETH Zurich y Empa han desarrollado técnicas para crear emisores a partir de puntos cuánticos de perovskita que son más rápidos, más efectivos y aumentan significativamente su brillo, con aplicaciones para tecnología cuántica y dispositivos de visualización.
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Los puntos cuánticos son un tipo de átomo artificial: tienen un tamaño de sólo unos pocos nanómetros y están hechos de materiales semiconductores. Pueden producir luz de un color específico o incluso fotones individuales, lo cual es importante para las tecnologías cuánticas. En 2023, los descubridores y pioneros de la síntesis comercial de puntos cuánticos recibieron el Premio Nobel de Química.
En los últimos años, los puntos cuánticos de perovskita han ganado popularidad. Las perovskitas son una familia de materiales cuya estructura es comparable a la del mineral perovskita (titanato de calcio).
Estos materiales fueron utilizados por primera vez en 2014 por la ETH Zurich para producir puntos cuánticos. Estos puntos cuánticos de nanocristales de perovskita son fáciles de procesar porque se pueden combinar con líquidos para crear una dispersión. Además, brillan más en comparación con muchos otros puntos cuánticos debido a sus propiedades ópticas únicas. También son más baratos de producir, lo que los convierte en una opción sensata para su uso en pantallas, entre otras cosas.
Un grupo de investigación dirigido por Maksym Kovalenko de ETH Zurich y Empa, junto con sus colegas de EE. UU. y Ucrania, han demostrado cómo se pueden mejorar aún más estas prometedoras propiedades de los puntos cuánticos de perovskita.
Utilizaron técnicas químicas para el tratamiento de superficies y fenómenos de mecánica cuántica nunca antes vistos en puntos cuánticos de perovskita. La respetada revista científica. Naturaleza Los investigadores publicaron recientemente dos publicaciones que resumen sus resultados.
Los átomos infelices reducen el brillo
El brillo de un punto cuántico es una medida crucial relacionada con la cantidad de fotones que produce el punto en un segundo. Después de ser activados por luz ultravioleta a una frecuencia más alta, los puntos cuánticos liberan fotones de un color específico (y por lo tanto de una frecuencia). Esto crea un hueco o un electrón faltante en la estructura de bandas energéticas del material y crea un excitón, que consiste en un electrón que ahora puede moverse más libremente.
Es posible que el electrón excitado regrese a un estado de menor energía y se reúna con el agujero. El punto cuántico emite luz cuando la energía liberada se convierte en un fotón.
Pero no siempre funciona así.
En la superficie de los nanocristales de perovskita se encuentran átomos «desafortunados» que carecen de un vecino en la red cristalina.
Gabriele Raino, investigadora principal, ETH Zurich
La energía generada durante la recombinación no se puede convertir en luz sino en vibraciones de red, porque estos átomos marginales alteran el equilibrio entre los portadores de carga positivos y negativos en el nanocristal. El resultado es que el punto cuántico «parpadea» o brilla de forma intermitente.
Recubrimiento protector hecho de fosfolípidos.
Para evitar esto, Kovalenko y sus colegas desarrollaron moléculas especialmente diseñadas llamadas fosfolípidos.
Estos fosfolípidos son muy similares a los liposomas en los que, por ejemplo, se incrusta la vacuna de ARNm contra el coronavirus para que permanezca estable en el torrente sanguíneo hasta llegar a las células.
Maksym Kovalenko, investigador, ETH Zurich
Una diferencia clave es que los científicos han sintonizado sus moléculas para que la parte polar, o eléctricamente sensible, de la molécula se adhiera a la superficie del punto cuántico de perovskita, asegurando que los átomos «desafortunados» tengan un compañero de carga.
Gracias a la porción no polar del fosfolípido que sobresale del exterior, los puntos cuánticos también se pueden dispersar en líquidos no acuosos, como por ejemplo disolventes orgánicos. La estabilidad estructural de los nanocristales de perovskita también depende de la capa lipídica de su superficie.
Kovalenko añadió: “Este tratamiento superficial es absolutamente necesario para todo lo que queremos hacer con los puntos cuánticos.«
Hasta ahora, Kovalenko y sus colegas han establecido el enfoque para puntos cuánticos de perovskita de haluro de plomo, pero podría extenderse fácilmente a otros puntos cuánticos de haluro metálico.
Aún más brillante gracias a Superradiance
Fue posible reducir el parpadeo del punto cuántico con la superficie lipídica hasta tal punto que el 95% de los eventos de recombinación de huecos de electrones dieron como resultado la emisión de un fotón. Sin embargo, para mejorar el brillo del punto cuántico, los investigadores tuvieron que acelerar el proceso de recombinación, lo que requiere conocimientos de física cuántica.
Cuando un dipolo (cargas positivas y negativas distribuidas entre sí) interactúa con el campo electromagnético del vacío, un estado excitado, como un excitón, decae.
Cuanto más grande es el dipolo, más rápido se desintegra. Una forma de crear un dipolo más grande es acoplar coherentemente numerosos dipolos más pequeños. Esto es similar a los relojes de péndulo, que están acoplados mecánicamente y funcionan sincrónicamente después de un tiempo determinado.
Los investigadores pudieron demostrar experimentalmente que el acoplamiento coherente también funciona en puntos cuánticos de perovskita, con un solo dipolo de excitón que se extiende por el volumen del punto cuántico debido a fenómenos de la mecánica cuántica, generando así numerosas copias de sí mismo. El tamaño del punto cuántico determina cuántas copias se pueden hacer. Estas copias pueden provocar un fenómeno conocido como superradiancia, en el que el excitón se recombina significativamente más rápido.
Esto significa que el punto cuántico está listo para captar un nuevo excitón más rápidamente y puede producir más fotones por segundo, haciéndolo más brillante. Un aspecto clave es que el punto cuántico más rápido continúa produciendo fotones individuales (en lugar de múltiples fotones a la vez), lo que lo hace adecuado para la tecnología cuántica.
Según Kovalenko, los puntos cuánticos de perovskita mejorados son útiles no sólo para la producción y visualización de luz, sino también para otras aplicaciones menos obvias. Por ejemplo, podrían funcionar como catalizadores activados por luz en química orgánica. Kovalenko está investigando estas y otras aplicaciones, incluso a través de NCCR Catalysis.
Referencias de revistas:
Morad, V., et. Alabama. (2023) Modelo activo de aprendizaje automático para la simulación dinámica y los mecanismos de crecimiento del carbono en superficies metálicas. Naturaleza. doi:10.1038/s41586-023-06932-6
Sercel, PC, et. Alabama. (2024) Modelo activo de aprendizaje automático para la simulación dinámica y los mecanismos de crecimiento del carbono en superficies metálicas. Naturaleza. doi:10.1038/s41586-023-07001-8.
Fuente: https://ethz.ch/en.html
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