Cette solution de points quantiques brille d'un rouge vif lorsqu'elle absorbe la lumière d'une lampe UV située en dessous. Des chercheurs de l'U of T Engineering optimisent ces nanoparticules pour créer des lasers plus lumineux qui utilisent moins d'énergie que les modèles actuels. Crédit :Kevin Soobrian/U of T Engineering
De nouvelles perspectives sur les cellules vivantes, des vidéoprojecteurs plus lumineux et des tests médicaux plus précis ne sont que trois des innovations qui pourraient résulter d'une nouvelle façon de fabriquer des lasers.
La nouvelle méthode, développé par une équipe de recherche internationale de l'U of T Engineering, Université Vanderbilt, le Laboratoire national de Los Alamos et d'autres, produit une lumière laser continue plus brillante, moins cher et plus ajustable que les appareils actuels en utilisant des nanoparticules appelées points quantiques.
"Nous travaillons avec des points quantiques depuis plus d'une décennie, " dit Ted Sargent, professeur au département de génie électrique et informatique Edward S. Rogers Sr. de l'Université de Toronto. "Ils sont plus de cinq mille fois plus petits que la largeur d'un cheveu humain, ce qui leur permet de chevaucher les mondes de la physique quantique et classique et leur confère des propriétés optiques utiles. »
"Les points quantiques sont des émetteurs de lumière brillante bien connus, " dit Alex Voznyy, un associé de recherche principal dans le laboratoire de Sargent. "Ils peuvent absorber beaucoup d'énergie et la réémettre à une fréquence particulière, ce qui en fait un matériau particulièrement adapté aux lasers."
En contrôlant soigneusement la taille des points quantiques, les chercheurs du laboratoire de Sargent peuvent « régler » la fréquence, ou couleur, de la lumière émise à n'importe quelle valeur souhaitée. Par contre, la plupart des lasers commerciaux sont limités à une fréquence spécifique, ou une très petite gamme, définis par les matériaux qui les composent.
La capacité de produire un laser de n'importe quelle fréquence souhaitée à partir d'un seul matériau donnerait un coup de pouce aux scientifiques qui cherchent à étudier les maladies au niveau des tissus ou des cellules individuelles en offrant de nouveaux outils pour sonder les réactions biochimiques. Ils pourraient également permettre des projecteurs à affichage laser qui seraient plus lumineux et plus économes en énergie que la technologie LCD actuelle.
Mais bien que la capacité des points quantiques colloïdaux à produire de la lumière laser ait été démontrée pour la première fois par le co-auteur Victor Klimov et son équipe du Laboratoire national de Los Alamos il y a plus de 15 ans, l'application commerciale est restée insaisissable. Un problème clé a été que jusqu'à présent, la quantité de lumière nécessaire pour exciter les points quantiques pour produire de la lumière laser a été très élevée.
Ce modèle généré par ordinateur montre le noyau sphérique de la nanoparticule de point quantique (en rouge) ainsi que la forme de « soucoupe volante » de la coque externe (en jaune). La tension dans le noyau induite par la coque affecte les états électroniques et abaisse le seuil d'énergie nécessaire pour déclencher le laser. Crédit :Dr Alex Voznyy/U of T Engineering
"Il faut stimuler le laser en utilisant de plus en plus de puissance, mais il y a aussi beaucoup de pertes de chaleur, " dit Voznyy. " Finalement, il devient si chaud qu'il brûle. " La plupart des lasers à points quantiques sont limités à des impulsions lumineuses d'une durée de quelques nanosecondes - des milliardièmes de seconde.
L'équipe, qui comprenait Voznyy, les chercheurs postdoctoraux Fengjia Fan et Randy Sabatini et le candidat à la maîtrise Kris Bicanic, a surmonté ce problème en changeant la forme des points quantiques, plutôt que leur taille. Ils ont pu créer des points quantiques avec un noyau sphérique et une coque en forme de quille, un M&M ou une soucoupe volante—une forme sphérique « écrasée » connue sous le nom de sphéroïde aplati.
L'inadéquation entre la forme du noyau et de la coque introduit une tension qui affecte les états électroniques de la boîte quantique, en diminuant la quantité d'énergie nécessaire pour déclencher le laser. Comme indiqué dans un article publié aujourd'hui dans La nature , l'innovation signifie que les points quantiques ne sont plus en danger de surchauffe, de sorte que le laser résultant peut tirer en continu.
Alors que les points quantiques sont souvent construits en déposant des molécules une par une dans le vide, L'équipe de Sargent mélange des solutions liquides contenant divers précurseurs de points quantiques. Lorsque les solutions réagissent, ils produisent des points quantiques solides qui restent en suspension dans le liquide - ils sont connus sous le nom de points quantiques colloïdaux. L'innovation clé de l'équipe était d'ajouter des molécules de coiffage spécifiques dans le mélange, ce qui leur a permis de contrôler la forme des particules pour obtenir les propriétés souhaitées, une approche que Fan appelle « chimie intelligente ».
« Le traitement basé sur des solutions réduit considérablement le coût de fabrication des points quantiques, " dit Fan. " Cela facilitera également l'augmentation de la production, parce que nous pouvons utiliser des techniques déjà établies dans l'industrie de l'imprimerie."
Le projet comprenait un certain nombre de partenaires nationaux et internationaux. Des simulations informatiques en collaboration avec l'Université d'Ottawa et le Conseil national de recherches ont guidé la conception des points quantiques. Tests analytiques du Vanderbilt's Institute of Nanoscale Science and Engineering à Nashville, TN, ainsi que le Centre des matériaux de haute technologie de l'Université du Nouveau-Mexique à Albuquerque, NM et Los Alamos ont confirmé que les produits finaux avaient la forme souhaitée, composition et comportement en analysant des points quantiques individuels au niveau atomique.
"Nous avons été impressionnés non seulement par la structure d'ingénierie elle-même, mais aussi par le niveau d'uniformité qu'ils ont atteint, " dit Sandra Rosenthal, directeur du Vanderbilt Institute for Nanoscale Science and Engineering. "L'équipe de Sargent a réussi à créer des points quantiques avec une structure unique et élégante. C'est une recherche passionnante."
L'équipe a encore du travail à faire avant de pouvoir se tourner vers la commercialisation. "Pour ce dispositif de preuve de concept, nous excitons les points quantiques avec la lumière, " dit Sabatini. " En fin de compte, nous voulons passer à les exciter avec l'électricité. Nous voulons également augmenter la puissance en milliwatts, voire en watts. Si nous pouvons le faire, alors cela devient important pour la projection laser."
