Un equipo internacional de investigadores de ETH Zurich, IBM Research Zurich, Empa y cuatro instituciones de investigación estadounidenses han encontrado la explicación de por qué una clase de nanocristales que se ha estudiado intensamente en los últimos años brilla en colores tan increíblemente brillantes. Los nanocristales contienen compuestos de haluro de plomo y cesio que están dispuestos en una estructura de celosía de perovskita.

Hace tres años, Maksym Kovalenko, profesor en ETH Zurich y Empa, logró crear nanocristales, o puntos cuánticos, como también se les conoce, a partir de este material semiconductor. "Estos diminutos cristales han demostrado ser fuentes de luz extremadamente brillantes y de rápida emisión, más brillante y más rápido que cualquier otro tipo de punto cuántico estudiado hasta ahora, ", dice Kovalenko. Al variar la composición de los elementos químicos y el tamaño de las nanopartículas, también logró producir una variedad de nanocristales que se iluminan con los colores de todo el espectro visible. Por lo tanto, estos puntos cuánticos también se tratan como componentes para futuros diodos emisores de luz y pantallas.

En un estudio publicado en la edición más reciente de la revista científica Naturaleza , el equipo de investigación internacional examinó estos nanocristales individualmente y con gran detalle. Los científicos pudieron confirmar que los nanocristales emiten luz extremadamente rápido. Los puntos cuánticos previamente estudiados generalmente emiten luz alrededor de 20 nanosegundos después de ser excitados cuando están a temperatura ambiente. que ya es muy rápido. "Sin embargo, Los puntos cuánticos de haluro de plomo y cesio emiten luz a temperatura ambiente después de solo un nanosegundo, "explica Michael Becker, primer autor del estudio. Es estudiante de doctorado en ETH Zurich y está llevando a cabo su proyecto de doctorado en IBM Research.

Par de agujeros de electrones en un estado de energía excitado

Comprender por qué los puntos cuánticos de haluro de plomo y cesio no solo son rápidos sino también muy brillantes implica sumergirse en el mundo de los átomos individuales, partículas de luz (fotones) y electrones. "Puede utilizar un fotón para excitar nanocristales semiconductores de modo que un electrón deje su lugar original en la red cristalina, dejando atrás un agujero, "explica David Norris, Catedrático de Ingeniería de Materiales en ETH Zurich. El resultado es un par de agujeros de electrones en un estado de energía excitada. Si el par electrón-agujero vuelve a su estado fundamental de energía, se emite luz.

Bajo ciertas condiciones, son posibles diferentes estados de energía excitada; en muchos materiales, el más probable de estos estados se llama oscuro. "En un estado tan oscuro, el par de huecos de electrones no puede volver a su estado fundamental de energía inmediatamente y, por lo tanto, la emisión de luz se suprime y se retrasa. Esto limita el brillo ", dice Rainer Mahrt, científico de IBM Research.

Sin estado oscuro

Los investigadores pudieron demostrar que los puntos cuánticos de haluro de plomo y cesio difieren de otros puntos cuánticos:su estado de energía excitado más probable no es un estado oscuro. Es mucho más probable que los pares de electrones y huecos excitados se encuentren en un estado en el que puedan emitir luz inmediatamente. "Esta es la razón por la que brillan tan intensamente, "dice Norris.

Los investigadores llegaron a esta conclusión utilizando sus nuevos datos experimentales y con la ayuda del trabajo teórico dirigido por Alexander Efros, físico teórico del Laboratorio de Investigaciones Navales de Washington. Es un pionero en la investigación de puntos cuánticos y, Hace 35 años, fue uno de los primeros científicos en explicar cómo funcionan los puntos cuánticos semiconductores tradicionales.

Buenas noticias para la transmisión de datos

Dado que los puntos cuánticos de haluro de plomo y cesio examinados no solo son brillantes sino también económicos de producir, podrían aplicarse en pantallas de televisión, con esfuerzos realizados por varias empresas, en Suiza y en todo el mundo. "También, ya que estos puntos cuánticos pueden emitir fotones rápidamente, son de particular interés para su uso en comunicaciones ópticas dentro de centros de datos y supercomputadoras, donde rápido, componentes pequeños y eficientes son centrales, ", dice Mahrt. Otra aplicación futura podría ser la simulación óptica de sistemas cuánticos, que es de gran importancia para la investigación fundamental y la ciencia de los materiales.

El profesor de ETH Norris también está interesado en utilizar los nuevos conocimientos para el desarrollo de nuevos materiales. "Como ahora entendemos por qué estos puntos cuánticos son tan brillantes, también podemos pensar en diseñar otros materiales con propiedades similares o incluso mejores, " él dice.