Des recherches collaboratives à Notre Dame ont démontré que les interactions électroniques jouent un rôle important dans le croisement dimensionnel des nanomatériaux semi-conducteurs. Le laboratoire de Masaru Kuno, professeur de chimie et biochimie, et le groupe de théorie de la matière condensée de Boldizsár Jankó, professeur de physique, ont maintenant montré qu'une échelle de longueur critique marque la transition entre une dimension zéro, point quantique et un nanofil unidimensionnel.
Les résultats, "Crossover dimensionnel dans les nanostructures semi-conductrices, " ont été publiés dans Communication Nature . Matthew P. McDonald et Rusha Chatterjee du laboratoire de Kuno et Jixin Si du groupe de Jankó sont également les auteurs de la publication.
Une structure de points quantiques possède les mêmes dimensions physiques dans toutes les directions tandis qu'un fil quantique présente une dimension plus longue que les autres. Cela signifie que les points quantiques et les nanofils fabriqués à partir du même matériau présentent des réponses optiques et électriques différentes à l'échelle nanométrique, car ces propriétés sont extrêmement dépendantes de la taille et de la forme. La compréhension de l'évolution dépendante de la taille et de la forme des propriétés des nanomatériaux a donc été au centre des préoccupations des nanosciences au cours des deux dernières décennies. Cependant, il n'a jamais été définitivement établi comment une boîte quantique évolue en un nanofil à mesure que son rapport d'aspect augmente progressivement. Les propriétés quantiques évoluent-elles progressivement ou effectuent-elles une transition soudaine ?
Le laboratoire de Kuno a découvert qu'il existe une longueur critique où un point quantique devient semblable à un nanofil. Les chercheurs ont réalisé cette percée en réalisant le premier essai direct, mesures d'absorption de particules individuelles sur des nanotiges semi-conductrices individuelles, une espèce intermédiaire entre les points quantiques et les nanofils. Des mesures de particule unique plutôt que des mesures d'ensemble ont été utilisées pour éviter les effets des inhomogénéités de l'échantillon. Par ailleurs, une approche d'absorption plutôt qu'une approche d'émission souvent utilisée a été utilisée pour contourner les limitations existantes de la microscopie à particule unique basée sur l'émission moderne, à savoir, sa restriction à l'observation d'échantillons hautement fluorescents.
Cette découverte marque une avancée significative dans notre compréhension de la réponse mécanique quantique dépendante de la taille et de la forme des nanostructures semi-conductrices. "Tous les manuels d'introduction à l'état solide ou aux semi-conducteurs doivent réviser ce qu'ils disent sur le croisement dimensionnel, " a déclaré Jankó. " C'est un autre exemple où les interactions rendent les choses complètement différentes. " Au-delà de cela, Kuno suggère que l'approche d'absorption de particule unique avancée dans l'étude « a des applications du monde réel, peut-être 40 ans plus tard. » Les exemples incluent la détection ultrasensible générique et sans étiquette d'espèces chimiques et biomoléculaires d'un intérêt primordial dans les sphères de la sécurité intérieure ainsi que de la santé publique.
Le groupe de Kuno a réalisé les expériences qui ont conduit à la découverte tandis que le groupe de Jankó a fourni un soutien théorique.
