La capacidad de investigar la dinámica de una sola partícula a nanoescala y a nivel de femtosegundos siguió siendo un sueño insondable durante años. No fue hasta los albores del siglo XXI que la nanotecnología y la femtosciencia se fusionaron gradualmente y se logró la primera microscopía ultrarrápida de puntos cuánticos individuales (QD) y moléculas. Los estudios de microscopía ultrarrápida se basan completamente en la detección de nanopartículas o moléculas individuales con técnicas de luminiscencia, que requieren emisores eficientes para funcionar. Sin embargo, tales técnicas provocan la degradación de la muestra y proporcionan poca información sobre la dinámica del sistema en el estado excitado. Solo en los últimos años se han puesto de relieve los esfuerzos por encontrar una técnica alternativa compatible para estudiar procesos rápidos en nanoobjetos.

Ahora, Los investigadores del ICFO Lukasz Piatkowski, Nicolò Accanto, Gaëtan Calbris y Sotirios Christodoulou, dirigido por el profesor ICREA Niek F.van Hulst, en colaboración con Iwan Moreels (Universidad de Gante, Bélgica), han publicado un estudio en Ciencias titulado "Microscopía de emisión estimulada ultrarrápida de nanocristales individuales, "donde informan sobre una técnica para estudiar eventos ultrarrápidos en nano-objetos individuales no fluorescentes.

En su estudio, tomaron QD individuales y, en lugar de esperar a que el QD emitiera luz de forma espontánea a través de la fotoluminiscencia, el equipo utilizó una combinación sofisticada de pulsos láser para promover QD individuales en un estado excitado y luego, obligarlos a bajar, de regreso al estado fundamental a la primera:obtener imágenes de QD individuales y, en segundo lugar:discernir la evolución de las cargas excitadas dentro de todo el fotociclo.

El Dr. Lukasz Piatkowski explica por qué utilizaron un par de pulsos láser para visualizar de manera efectiva la dinámica de los QD:"Es como lanzar una pelota a un árbol; cuanto más alto la lanzas, cuanto más emocionado está el estado. El primer pulso láser del sistema (fotón) lanza la primera bola (carga en el QD) al árbol. Si está utilizando una técnica de fotoluminiscencia, es como si estuviera parado debajo del árbol, y no puede ver lo que está sucediendo dentro de la copa o la copa del árbol. Por lo tanto, no sabrá si la pelota comienza a rebotar por las ramas, donde, cuando y como empieza a caer, si se detiene con algo en camino, si queda atrapado en una rama intermedia, etc. Entonces, para ver qué pasa con la primera bola, necesitas encontrar otra técnica que te permita mirar dentro de la copa del árbol. La técnica que usamos nos permitió lanzar una segunda bola a la copa del árbol (segundo pulso láser que interactúa con el QD) para derribar la primera bola. Lanzar la segunda bola más arriba o más abajo, más fuerte o más débil, tarde o temprano después de la primera bola, obtenemos información sobre la primera bola y la estructura del árbol (cuánto tiempo tardaron las bolas en caer, dónde, cómo, etc.) ".

En su experimento, el primer pulso láser lleva la QD individual al estado de excitación. Luego, cada pocos cientos de femtosegundos, dispararon un segundo pulso láser en el QD para llevar las cargas al estado fundamental, induciendo recombinación y emisión de un fotón extra. Por eso, por cada fotón sonda que dispararon al sistema, recuperaron dos fotones gemelos. Estos fotones adicionales permitieron a los autores no solo obtener imágenes de los QD, sino también rastrear con precisión la evolución de las cargas excitadas en el QD. revelando cuántas cargas se sometieron a recombinación espontánea, recombinación estimulada y absorción en estado excitado.

Ser capaz de rastrear cargas excitadas a nanoescala es de fundamental importancia en nanotecnología, fotónica y fotovoltaica. Los resultados del estudio han demostrado que la microscopía de emisión estimulada ultrarrápida se puede utilizar para estudiar procesos ultrarrápidos en partículas cromofóricas individuales que de otro modo serían indetectables mediante técnicas de fluorescencia / fotoluminiscencia. En otras palabras, dicho estudio ha permitido obtener imágenes y estudiar la dinámica de nanopartículas y estructuras sin la necesidad de etiquetas fluorescentes externas.

Como comenta el profesor ICREA en ICFO Niek van Hulst, "Se esperan avances significativos en el futuro dentro del campo de las técnicas de imágenes ultrarrápidas de nano-régimen. La primera detección de puntos cuánticos utilizando este enfoque ha sido sobresaliente. Ahora nuestro objetivo es extender esto a moléculas y complejos biomoleculares, específicamente complejos foto-sintéticos. Actualmente estamos trabajando en esquemas de 3 y 4 pulsos para fusionar la emisión estimulada y la detección de luminiscencia de sistemas individuales con espectroscopía 2-D ".