Los puntos cuánticos son nanopartículas artificiales de material semiconductor que comprenden solo unos pocos miles de átomos. Debido al pequeño número de átomos, Las propiedades de un punto cuántico se encuentran entre las de los átomos o moléculas individuales y el material a granel con una gran cantidad de átomos. Al cambiar el tamaño y la forma de las nanopartículas, es posible ajustar sus propiedades electrónicas y ópticas:cómo los electrones se unen y se mueven a través del material, y cómo absorbe y emite la luz.

Gracias al control cada vez más refinado del tamaño y la forma de las nanopartículas, el número de aplicaciones comerciales ha crecido. Los que ya están disponibles incluyen láseres, LEDs, y televisores con tecnología de puntos cuánticos.

Sin embargo, existe un problema que puede perjudicar la eficiencia de los dispositivos o aparatos que utilizan este nanomaterial como medio activo. Cuando la luz es absorbida por un material, los electrones se promueven a niveles de energía más altos, y cuando regresen a su estado fundamental, cada uno puede emitir un fotón al medio ambiente. En los puntos cuánticos convencionales, el viaje de regreso del electrón a su estado fundamental puede verse perturbado por varios fenómenos cuánticos, retrasando la emisión de luz al exterior.

El aprisionamiento de electrones de esta manera, conocido como el "estado oscuro, "retarda la emisión de luz, en contraste con el camino que les permite volver rápidamente al estado fundamental y, por lo tanto, emitir luz de manera más eficiente y directa ("estado brillante").

Este retraso puede ser más corto en una nueva clase de nanomaterial hecho de perovskita, lo que, como resultado, está despertando un interés considerable entre los investigadores de la ciencia de los materiales.

Un estudio realizado por investigadores de los Institutos de Química y Física de la Universidad de Campinas (UNICAMP) en el estado de São Paulo, Brasil, en colaboración con científicos de la Universidad de Michigan en los Estados Unidos, avanzó en esta dirección al proporcionar conocimientos novedosos sobre la física fundamental de los puntos cuánticos de perovskita. Un artículo sobre el estudio se publica en Avances de la ciencia .

"Usamos espectroscopia coherente, lo que nos permitió analizar por separado el comportamiento de los electrones en cada nanomaterial en un conjunto de decenas de miles de millones de nanomateriales. El estudio es innovador en la medida en que combina una clase relativamente nueva de nanomateriales, la perovskita, con una técnica de detección completamente nueva. "Lázaro Padilha Junior, investigador principal del proyecto del lado brasileño, dijo a Agência FAPESP.

La FAPESP apoyó el estudio a través de una Beca para Jóvenes Investigadores y una Beca de Investigación Regular otorgada a Padilha.

"Pudimos verificar la alineación de energía entre el estado brillante [asociado con los tripletes] y el estado oscuro [asociado con los singletes], indicando cómo esta alineación depende del tamaño del nanomaterial. También hicimos descubrimientos sobre las interacciones entre estos estados, abriendo oportunidades para el uso de estos sistemas en otros campos de la tecnología, como la información cuántica, "Dijo Padilha.

"Debido a la estructura cristalina de la perovskita, el nivel de energía brillante se divide en tres, formando un triplete. Esto proporciona varios caminos para la excitación y para que los electrones regresen al estado fundamental. El resultado más llamativo del estudio fue que al analizar la vida útil de cada uno de los tres estados brillantes y las características de la señal emitida por la muestra obtuvimos evidencia de que el estado oscuro está presente pero ubicado a un nivel de energía superior a dos de los estados. tres estados brillantes. Esto significa que cuando se ilumina la muestra, los electrones excitados quedan atrapados solo si ocupan el nivel de brillo más alto y luego se desplazan al estado oscuro. Si ocupan los niveles de brillo más bajos, regresan al estado fundamental de manera más eficiente ".

Para estudiar cómo los electrones interactúan con la luz en estos materiales, el grupo utilizó espectroscopia coherente multidimensional (MDCS), en el que una ráfaga de pulsos de láser ultracortos (cada uno con una duración de aproximadamente 80 femtosegundos, o 80 cuatrillonésimas de segundo) se transmite a una muestra de perovskita enfriada a menos 269 grados Celsius.

"Los pulsos irradian la muestra a intervalos estrictamente controlados. Modificando los intervalos y detectando la luz emitida por la muestra en función del intervalo, podemos analizar la interacción electrón-luz y su dinámica con alta precisión temporal, mapear los tiempos de interacción típicos, los niveles de energía con los que se acoplan, y las interacciones con otras partículas, "Dijo Padilha.

La técnica MDCS se puede utilizar para analizar miles de millones de nanopartículas al mismo tiempo y para distinguir entre diferentes familias de nanopartículas presentes en la muestra.

El sistema experimental fue desarrollado por un equipo dirigido por Steven Cundiff, investigador principal del estudio en la Universidad de Michigan. Algunas de las medidas fueron realizadas por Diogo Almeida, ex miembro del equipo de Cundiff y ahora en el laboratorio de espectroscopia ultrarrápida de la UNICAMP con una beca postdoctoral de la FAPESP bajo la supervisión de Padilha.

Los puntos cuánticos fueron sintetizados por Luiz Gustavo Bonato, un doctorado Candidato en el Instituto de Química de la UNICAMP. "El cuidado que Bonato tuvo al preparar los puntos cuánticos y su protocolo fue fundamentalmente importante, como lo demuestra su calidad y tamaño, y por las propiedades del material nanométrico, "dijo Ana Flávia Nogueira, co-investigador principal del estudio en Brasil. Nogueira es profesora del Instituto de Química (IQ-UNICAMP) e investigadora principal de la División de Investigación 1 del Centro de Innovación en Nuevas Energías (CINE), un Centro de Investigación en Ingeniería (ERC) establecido por FAPESP y Shell.

“Los resultados obtenidos son muy importantes ya que el conocimiento de las propiedades ópticas del material y cómo se comportan sus electrones abre oportunidades para el desarrollo de nuevas tecnologías en óptica y electrónica de semiconductores. Es muy probable que la incorporación de perovskita sea la característica más distintiva de la próxima generación de televisores, "Dijo Nogueira.