Los nanocristales semiconductores brillantes conocidos como puntos cuánticos dan a las pantallas de TV QLED sus colores vibrantes. Pero los intentos de aumentar la intensidad de esa luz generan calor, reduciendo la eficiencia de producción de luz de los puntos.

Un nuevo estudio explica por qué, y los resultados tienen amplias implicaciones para el desarrollo de tecnologías cuánticas y fotónicas futuras en las que la luz reemplaza a los electrones en las computadoras y los fluidos en los refrigeradores. por ejemplo.

En una pantalla de TV QLED, los puntos absorben la luz azul y la convierten en verde o roja. A las bajas energías donde operan las pantallas de TV, esta conversión de luz de un color a otro es virtualmente 100% eficiente. Pero a las energías de excitación más altas necesarias para pantallas más brillantes y otras tecnologías, la eficiencia cae bruscamente. Los investigadores tenían teorías sobre por qué sucede esto, pero nadie lo había observado a escala atómica hasta ahora.

Para descubrir mas, Los científicos del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía utilizaron una "cámara de electrones" de alta velocidad para observar cómo los puntos convierten la luz láser de alta energía entrante en sus propias emisiones de luz brillante.

Los experimentos revelaron que la luz láser de alta energía entrante expulsa electrones de los átomos del punto, y sus correspondientes agujeros (puntos vacíos con cargas positivas que pueden moverse libremente) quedan atrapados en la superficie del punto, produciendo calor residual no deseado.

Además, los electrones y los huecos se recombinan de una manera que emite energía térmica adicional. Esto aumenta el movimiento de los átomos del punto, deforma su estructura cristalina y desperdicia aún más energía que podría haberse destinado a hacer los puntos más brillantes.

"Esto representa una forma clave en la que se succiona energía del sistema sin generar luz, "dijo Aaron Lindenberg, profesor asociado e investigador de la Universidad de Stanford del Instituto de Ciencias de los Materiales y la Energía de Stanford en SLAC que dirigió el estudio con el investigador postdoctoral Burak Guzelturk.

"Tratar de averiguar qué es lo que subyace a este proceso ha sido objeto de estudio durante décadas, ", dijo." Esta es la primera vez que pudimos ver lo que los átomos están haciendo en realidad mientras la energía del estado excitado se pierde en forma de calor ".

El equipo de investigación que incluía científicos de SLAC, Stanford, la Universidad de California, Berkeley y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, describió los resultados en Comunicaciones de la naturaleza hoy dia.

Emitiendo un puro, resplandor brillante

A pesar de su pequeño tamaño (tienen aproximadamente el mismo diámetro que cuatro hebras de ADN), los nanocristales de puntos cuánticos son sorprendentemente complejos y altamente diseñados. Emiten luz extremadamente pura cuyo color se puede ajustar ajustando su tamaño, forma, composición y química de la superficie. Los puntos cuánticos utilizados en este estudio se inventaron hace más de dos décadas, y hoy en día se utilizan ampliamente en brillantes, pantallas energéticamente eficientes y herramientas de imágenes para biología y medicina.

Comprender y solucionar los problemas que se interponen en el camino para hacer que los puntos sean más eficientes a energías más altas es un campo de investigación muy candente en este momento. dijo Guzelturk, que realizó experimentos en SLAC con el investigador postdoctoral Ben Cotts.

Los estudios anteriores se habían centrado en cómo se comportaban los electrones de los puntos. Pero en este estudio, el equipo pudo ver los movimientos de átomos completos, también, con una cámara de electrones conocida como MeV-UED. Golpea muestras con pulsos cortos de electrones con energías muy altas, medido en millones de electronvoltios (MeV). En un proceso llamado difracción de electrones ultrarrápida (UED), los electrones se dispersan de la muestra hacia los detectores, creando patrones que revelan lo que están haciendo tanto los electrones como los átomos.

A medida que el equipo de SLAC / Stanford midió el comportamiento de los puntos cuánticos que habían sido golpeados con varias longitudes de onda e intensidades de luz láser, Los estudiantes graduados de UC Berkeley Dipti Jasrasaria y John Philbin trabajaron con el químico teórico de Berkeley Eran Rabani para calcular y comprender la interacción resultante de los movimientos electrónicos y atómicos desde un punto de vista teórico.

"Nos reunimos con los experimentadores con bastante frecuencia, "Dijo Rabani." Vinieron con un problema y comenzamos a trabajar juntos para entenderlo. Los pensamientos iban y venían pero todo fue sembrado de los experimentos, que supusieron un gran avance para poder medir lo que sucede con la red atómica de los puntos cuánticos cuando está intensamente excitada ".

Un futuro de tecnología basada en la luz

El estudio fue realizado por investigadores en un Centro de Investigación de Frontera de Energía del DOE, Fotónica en límites termodinámicos, dirigido por Jennifer Dionne, profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales de Stanford y vicepresidente asociado senior de plataformas de investigación / instalaciones compartidas. Su grupo de investigación trabajó con el grupo de Lindenberg para ayudar a desarrollar la técnica experimental para sondear los nanocristales.

El objetivo final del centro, Dionne dijo:es demostrar procesos fotónicos, como absorción y emisión de luz, en los límites de lo que permite la termodinámica. Esto podría generar tecnologías como la refrigeración, calefacción, refrigeración y almacenamiento de energía, así como computadoras cuánticas y nuevos motores para la exploración espacial, impulsados ​​completamente por luz.

"Para crear ciclos termodinámicos fotónicos, necesitas controlar con precisión qué tan ligero, calor, átomos, y los electrones interactúan en los materiales, "Dionne dijo." Este trabajo es emocionante porque proporciona una lente sin precedentes en los procesos electrónicos y térmicos que limitan la eficiencia de emisión de luz. Las partículas estudiadas ya tienen rendimientos cuánticos récord, pero ahora hay un camino hacia el diseño de materiales ópticos casi perfectos ". Estas eficiencias de emisión de luz tan altas podrían abrir una gran cantidad de aplicaciones futuristas, todo impulsado por pequeños puntos probados con electrones ultrarrápidos.