Des scientifiques de la National Research Nuclear University MEPhI (MEPhI) ont démontré une augmentation de l'intensité et du taux d'émission des points quantiques. Selon les auteurs de l'étude, le développement pourrait aider à résoudre l'un des problèmes clés de la création d'un ordinateur quantique et élever la surveillance biomédicale à un nouveau niveau. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Optique Express .

Les points quantiques sont des nanostructures fluorescentes de faible dimension qui sont prometteuses dans le domaine de l'interaction lumière-matière. Ils sont capables d'absorber une large gamme de lumière et d'émettre de la lumière dans une gamme étroite de longueurs d'onde, qui dépend de la taille du nanocristal; C'est, l'un ou l'autre des points quantiques brille d'une certaine couleur. Ces propriétés rendent les points quantiques presque parfaits pour l'enregistrement multicolore ultrasensible d'objets biologiques, ainsi que pour le diagnostic médical.

Les points quantiques peuvent être utilisés dans un large éventail de domaines, des appareils d'éclairage et des panneaux solaires aux qubits pour l'informatique quantique. Ils sont meilleurs que les phosphores traditionnels en termes de photostabilité et de luminosité. Les écrans à points quantiques peuvent fournir une luminosité beaucoup plus élevée, contraste et une consommation d'énergie plus faible que les autres technologies.

Chercheurs du Laboratoire de Nano-Bio-ingénierie (LNBE) de l'Institut d'Ingénierie Physique pour la Biomédecine, MEPhI, ont été les premiers à démontrer une augmentation à la fois de l'intensité et du taux d'émission spontanée des points quantiques semi-conducteurs dans les structures photoniques poreuses à base de silicium.

Les résultats de l'étude représentent une nouvelle approche pour contrôler l'émission lumineuse spontanée en modifiant l'environnement électromagnétique local des luminophores dans une matrice poreuse, qui ouvre des perspectives pour de nouvelles applications en bio-détection, optoélectronique, cryptographie et informatique quantique.

Tout d'abord, les nouveaux systèmes peuvent servir de base à des biocapteurs fluorescents compacts sous forme de dosage immuno-enzymatique, répandu dans la pratique clinique. L'utilisation de points quantiques avec fluorescence améliorée par cristal photonique augmentera considérablement la sensibilité de l'analyse, rendre possible la détection précoce de la maladie, lorsque le nombre de biomarqueurs de la maladie dans le sang du patient est faible. Il facilitera également le suivi du traitement des patients.

De plus, le développement peut servir de base à des calculateurs optiques ou à des systèmes cryptographiques, remplacement de sources volumineuses de photons uniques ou d'éléments logiques optiques. En plus de la compacité et de la simplicité, l'utilisation des nouveaux systèmes dans ce domaine permettra de résoudre l'un des problèmes clés de l'industrie :la production à la demande de photons intriqués simples ou quantiques, ce qui est presque impossible aujourd'hui.

Les photons intriqués, une paire de particules dans des états quantiques corrélés, jouent un rôle clé dans la physique moderne. Sans paires enchevêtrées, il est presque impossible de mettre en œuvre la communication quantique et la téléportation quantique, ainsi que de construire des ordinateurs quantiques connectés à l'Internet quantique. Si l'ordinateur quantique est créé, les principes de toute une série de domaines :modélisation moléculaire, cryptographie, l'intelligence artificielle, pourrait changer complètement.

Les scientifiques du MEPhI ont réussi à obtenir le résultat grâce à l'utilisation d'une oxydation profonde de cristaux photoniques, qui a permis de supprimer l'extinction de luminescence, ainsi que de réduire la perte d'énergie pour l'absorption.

"Pour améliorer la luminescence de telles structures, différentes méthodes sont utilisées, parmi lesquelles l'utilisation de cristaux photoniques est particulièrement intéressante. Des variations périodiques de l'indice de réfraction du cristal photonique permettent d'obtenir une augmentation locale de la densité d'états photoniques, grâce à quoi on observe une augmentation de l'intensité et du taux d'émission spontanée des luminophores, " Pavel Samokhvalov, chercheur au LNBE MEPhI, mentionné.

Pour fabriquer des cristaux photoniques, le silicium poreux est largement utilisé, ce qui est assez différent des autres matériaux en raison de la possibilité de contrôler avec précision l'indice de réfraction, facilité de fabrication, et la capacité d'absorption.

Cependant, jusqu'à maintenant, les chercheurs n'ont pas réussi à augmenter le taux de relaxation radiative des phosphores dans les cristaux photoniques de silicium poreux en raison de l'extinction significative de la luminescence au contact de la surface du silicium.