Les points quantiques, découverts dans les années 1990, ont un large éventail d'applications et sont peut-être mieux connus pour produire des couleurs vives dans certains téléviseurs haut de gamme. Mais pour certaines utilisations potentielles, telles que le suivi des voies biochimiques d'un médicament lorsqu'il interagit avec des cellules vivantes, les progrès ont été entravés par une caractéristique apparemment incontrôlable :une tendance à clignoter à des intervalles aléatoires. Cela n'a pas d'importance lorsque les points sont utilisés dans l'ensemble, comme dans les écrans de télévision, mais pour les applications de précision, cela peut être un inconvénient important.

Maintenant, une équipe de chimistes du MIT a trouvé un moyen de contrôler ce clignotement indésirable sans nécessiter aucune modification de la formulation ou du processus de fabrication. En envoyant un faisceau de lumière laser infrarouge moyen pendant un instant infinitésimal (quelques billionièmes de seconde), le clignotement du point quantique est éliminé pendant une période relativement longue, des dizaines de milliards de fois plus longue que l'impulsion laser.

La nouvelle technique est décrite dans un article paru dans la revue Nature Nanotechnology , par les doctorants Jiaojian Shi, Weiwei Sun et Hendrik Utzat, les professeurs de chimie Keith Nelson et Moungi Bawendi, et cinq autres au MIT.

Les points quantiques sont de minuscules particules, d'à peine quelques nanomètres de diamètre, constituées d'un matériau semi-conducteur, qui présente une "bande interdite" entre les niveaux d'énergie de ses électrons. Lorsque de tels matériaux gagnent de l'énergie grâce à la lumière qui les éclaire, les électrons peuvent passer à une bande d'énergie plus élevée; lorsqu'ils reviennent à leur niveau précédent, l'énergie est libérée sous la forme d'un photon, une particule de lumière. La fréquence de cette lumière, qui détermine sa couleur, peut être réglée avec précision en sélectionnant les formes et les dimensions des points. Outre les écrans d'affichage, les points quantiques peuvent être utilisés comme cellules solaires, transistors, lasers et dispositifs d'information quantique.

Le phénomène de clignotement a été observé pour la première fois dans les années 1990, peu de temps après la création des points quantiques. "A partir de ce moment-là", dit Bawendi, "je faisais des présentations [sur les points quantiques], et les gens disaient, 'faites disparaître ça !' Donc, beaucoup d'efforts ont été déployés pour essayer de l'éliminer en concevant l'interface entre le point et son environnement, ou en ajoutant d'autres molécules. Mais aucune de ces choses n'a vraiment bien fonctionné ou n'était très reproductible."

"Nous savons que pour certaines applications d'information quantique, nous voulons une source d'émetteur à photon unique parfaite", explique Sun. Mais avec les points quantiques actuellement disponibles, qui pourraient autrement être bien adaptés à de telles applications, "ils s'éteindront de manière aléatoire, ce qui est en fait préjudiciable à toutes les applications qui utilisent la photoluminescence des points".

Mais maintenant, dit-elle, grâce aux recherches de l'équipe, "nous utilisons ces impulsions ultra-rapides dans l'infrarouge moyen, et les points quantiques peuvent rester dans l'état" activé ". Cela peut potentiellement être très utile pour des applications, comme dans l'information quantique. science, où vous avez vraiment besoin d'une source brillante de photons uniques sans aucune intermittence."

De même, pour les applications de recherche biomédicale, l'élimination du clignotement est essentielle, dit Shi. "Il existe de nombreux processus biologiques qui nécessitent vraiment une visualisation avec une étiquette photoluminescente stable, comme les applications de suivi. Par exemple, lorsque nous prenons des médicaments, vous voulez visualiser comment ces molécules de médicament sont internalisées dans la cellule, et où dans les organites sous-cellulaires il se termine." Cela pourrait conduire à des processus de découverte de médicaments plus efficaces, dit-il, "mais si les points quantiques commencent à clignoter beaucoup, vous perdez en gros la trace de l'endroit où se trouve la molécule."

Nelson, professeur de chimie Haslam et Dewey, explique que la cause du phénomène de clignotement est probablement liée à des charges électriques supplémentaires, telles que des électrons supplémentaires, se fixant à la partie externe des points quantiques, modifiant les propriétés de surface de sorte que il existe d'autres voies alternatives pour que l'énergie supplémentaire soit libérée au lieu d'émettre de la lumière.

"Diverses choses peuvent se produire dans un environnement réel", dit Nelson, "de sorte que peut-être le point quantique a un électron glissé dessus quelque part à la surface." Au lieu d'être électriquement neutre, le point quantique a maintenant une charge nette, et bien qu'il puisse toujours revenir à son état fondamental en émettant un photon, "la charge supplémentaire ouvre malheureusement aussi tout un tas de voies supplémentaires pour que l'état excité de l'électron revenir à l'état fondamental sans émettre de photon", par exemple en dégageant de la chaleur à la place.

Mais lorsqu'elles sont zappées avec une rafale de lumière infrarouge moyenne, les charges supplémentaires ont tendance à être éliminées de la surface, permettant aux points quantiques de produire des émissions stables et d'arrêter leur clignotement.

Il s'avère, dit Utzat, qu'il s'agit "d'un processus très général", qui pourrait s'avérer utile pour traiter l'intermittence anormale dans certains autres dispositifs, tels que les soi-disant centres de lacune d'azote dans le diamant, qui sont exploités pour la microscopie à ultra-haute résolution et comme sources de photons uniques dans les technologies quantiques optiques. "Même si nous l'avons montré pour un seul type de matériau de travail, le point quantique, je pense que nous pouvons appliquer cette méthode à d'autres émetteurs", dit-il. "Je pense que l'effet fondamental de l'utilisation de cette lumière infrarouge moyenne s'applique à une grande variété de matériaux différents."

Nelson dit que l'effet peut également ne pas être limité aux impulsions infrarouges moyennes, qui reposent actuellement sur des équipements laser de laboratoire encombrants et coûteux et ne sont pas encore prêts pour des applications commerciales. Le même principe pourrait également s'étendre aux fréquences térahertz, dit-il, un domaine en cours de développement dans son laboratoire et d'autres et qui, en principe, pourrait conduire à des appareils beaucoup plus petits et moins chers.

L'équipe de recherche comprenait également Ardavan Farahvash, Frank Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov et Adam Willard, tous du MIT. Le travail a été soutenu par le U.S. Army Research Lab et le U.S. Army Research Office par l'intermédiaire de l'Institute for Soldier Nanotechnologies, du U.S. Department of Energy et du Samsung Global Outreach Program. + Explorer plus loin

Points quantiques MXene émettant de la lumière