Los puntos cuánticos, descubiertos en la década de 1990, tienen una amplia gama de aplicaciones y quizás sean más conocidos por producir colores vivos en algunos televisores de gama alta. Pero para algunos usos potenciales, como el seguimiento de las vías bioquímicas de un fármaco a medida que interactúa con las células vivas, el progreso se ha visto obstaculizado por una característica aparentemente incontrolable:una tendencia a parpadear a intervalos aleatorios. Eso no importa cuando los puntos se usan en conjunto, como en las pantallas de TV, pero para aplicaciones de precisión puede ser un inconveniente importante.

Ahora, un equipo de químicos del MIT ha ideado una forma de controlar este parpadeo no deseado sin necesidad de modificar la formulación o el proceso de fabricación. Al disparar un haz de luz láser de infrarrojo medio durante un momento infinitesimal, unas pocas trillonésimas de segundo, el parpadeo del punto cuántico se elimina durante un período relativamente largo, decenas de miles de millones de veces más largo que el pulso láser.

La nueva técnica se describe en un artículo que aparece en la revista Nature Nanotechnology , por los estudiantes de doctorado Jiaojian Shi, Weiwei Sun y Hendrik Utzat, los profesores de química Keith Nelson y Moungi Bawendi, y otros cinco en el MIT.

Los puntos cuánticos son partículas diminutas, de unos pocos nanómetros de ancho, hechas de material semiconductor, que tiene una "banda prohibida" entre los niveles de energía de sus electrones. Cuando tales materiales obtienen energía de la luz que brilla sobre ellos, los electrones pueden saltar a una banda de mayor energía; cuando vuelven a su nivel anterior, la energía se libera en forma de fotón, una partícula de luz. La frecuencia de esta luz, que determina su color, se puede ajustar con precisión seleccionando las formas y dimensiones de los puntos. Además de las pantallas de visualización, los puntos cuánticos tienen potencial para usos como células solares, transistores, láseres y dispositivos de información cuántica.

El fenómeno del parpadeo se observó por primera vez en la década de 1990, poco después de que se crearan los puntos cuánticos. "A partir de ese momento", dice Bawendi, "hacía presentaciones [sobre puntos cuánticos] y la gente decía:'¡Simplemente haz que esto desaparezca!' Por lo tanto, se dedicó mucho esfuerzo a tratar de eliminarlo diseñando la interfaz entre el punto y su entorno, o agregando otras moléculas. Pero ninguna de estas cosas realmente funcionó bien o fue muy reproducible".

"Sabemos que para algunas aplicaciones de información cuántica, queremos una fuente emisora ​​perfecta de un solo fotón", explica Sun. Pero con los puntos cuánticos disponibles en la actualidad, que de otro modo podrían ser adecuados para este tipo de aplicaciones, "se apagarán aleatoriamente, y esto en realidad es perjudicial para cualquiera de las aplicaciones que utilizan la fotoluminiscencia de los puntos".

Pero ahora, dice, gracias a la investigación del equipo, "utilizamos estos pulsos infrarrojos medios ultrarrápidos, y los puntos cuánticos pueden permanecer en el estado 'encendido'. Esto puede ser potencialmente muy útil para aplicaciones, como en información cuántica ciencia, donde realmente necesitas una fuente brillante de fotones individuales sin ninguna intermitencia".

De manera similar, para las aplicaciones de investigación biomédica, es esencial eliminar el parpadeo, dice Shi. "Hay muchos procesos biológicos que realmente requieren visualización con una etiqueta fotoluminiscente constante, como aplicaciones de seguimiento. Por ejemplo, cuando tomamos medicamentos, desea visualizar cómo esas moléculas de medicamentos se internalizan en la célula y en qué parte de los orgánulos subcelulares se encuentran". termina." Esto podría conducir a procesos de descubrimiento de fármacos más eficientes, dice, "pero si los puntos cuánticos empiezan a parpadear mucho, básicamente se pierde la noción de dónde está la molécula".

Nelson, quien es profesor de química de Haslam and Dewey, explica que la causa del fenómeno del parpadeo probablemente tenga que ver con cargas eléctricas adicionales, como electrones adicionales, adhiriéndose a la parte exterior de los puntos cuánticos, alterando las propiedades de la superficie para que existen otras vías alternativas para que se libere la energía adicional en lugar de emitir luz.

"Varias cosas pueden suceder en un entorno real", dice Nelson, "tal que tal vez el punto cuántico tenga un electrón adherido a él en algún lugar de la superficie". En lugar de ser eléctricamente neutro, el punto cuántico ahora tiene una carga neta, y aunque todavía puede volver a su estado fundamental emitiendo un fotón, "la carga adicional, lamentablemente, también abre un montón de caminos adicionales para que el estado excitado del electrón pase". volver al estado fundamental sin emitir un fotón", por ejemplo, emitiendo calor en su lugar.

Pero cuando se descarga con un estallido de luz infrarroja media, las cargas adicionales tienden a ser eliminadas de la superficie, lo que permite que los puntos cuánticos produzcan emisiones estables y dejen de parpadear.

Resulta, dice Utzat, que este es "un proceso muy general", que podría resultar útil para tratar la intermitencia anómala en algunos otros dispositivos, como los llamados centros de vacantes de nitrógeno en el diamante, que están siendo aprovechados. para microscopía de ultra alta resolución y como fuentes de fotones individuales en tecnologías cuánticas ópticas. "Aunque lo hemos demostrado solo para un tipo de material de trabajo, el punto cuántico, creo que podemos aplicar este método a otros emisores", dice. "Creo que el efecto fundamental de usar esta luz infrarroja media es aplicable a una amplia variedad de materiales diferentes".

Nelson dice que el efecto también puede no estar limitado a los pulsos de infrarrojo medio, que actualmente dependen de equipos láser de laboratorio voluminosos y costosos y aún no están listos para aplicaciones comerciales. El mismo principio también podría extenderse a las frecuencias de terahercios, dice, un área que ha estado en desarrollo en su laboratorio y en otros y que, en principio, podría conducir a dispositivos mucho más pequeños y menos costosos.

El equipo de investigación también incluyó a Ardavan Farahvash, Frank Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov y Adam Willard, todos del MIT. El trabajo fue apoyado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. y la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. a través del Instituto de Nanotecnologías para Soldados, el Departamento de Energía de EE. UU. y el Programa de Alcance Global de Samsung. + Explora más

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