Come rendere i punti quantici ancora più luminosi

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Per rendere più efficiente un punto quantico realizzato con un nanocristallo di
Per rendere più efficiente un punto quantico realizzato con un nanocristallo di perovskite (a sinistra), i ricercatori hanno creato speciali molecole (a destra) che formano uno strato protettivo intorno al punto quantico. In questo modo il punto quantico diventa più luminoso. (Immagine: Laboratorio Kovalenko)
I ricercatori dell’Empa e del Politecnico di Zurigo hanno sviluppato processi che consentono di trasformare i punti quantici di perovskite in emettitori più veloci ed efficienti, migliorando così in modo significativo la loro luminosità. Ciò è importante per le applicazioni negli schermi e nelle tecnologie quantistiche.

I punti quantici sono qualcosa di simile ad atomi artificiali: Grandi solo pochi nanometri e costituiti da materiali semiconduttori, possono emettere luce di un colore molto specifico o addirittura singoli fotoni, il che è importante per le tecnologie quantistiche. Gli scopritori e i pionieri della produzione commerciale dei punti quantici sono stati insigniti del Premio Nobel per la Chimica nel 2023. Negli ultimi anni si sono affermati i punti quantici fatti di perovskite, una classe di materiali con una struttura simile a quella del minerale perovskite (titanato di calcio), prodotti per la prima volta al Politecnico di Zurigo nel 2014. I punti quantici realizzati con nanocristalli di perovskite possono essere mescolati in liquidi per formare una dispersione, il che li rende facili da lavorare. Grazie alle loro speciali proprietà ottiche, sono anche più luminosi di molti altri punti quantici e sono più economici da produrre, il che li rende interessanti per applicazioni come gli schermi.

I ricercatori guidati da Maksym Kovalenko del Politecnico di Zurigo e dell’Empa, insieme a colleghi ucraini e statunitensi, hanno ora dimostrato come queste proprietà già promettenti dei punti quantici di perovskite possano essere ulteriormente migliorate. Hanno utilizzato sia metodi chimici per il trattamento della superficie sia effetti meccanici quantistici mai osservati prima nei punti quantici di perovskite. I ricercatori hanno recentemente pubblicato i loro risultati in due articoli sulla famosa rivista scientifica Nature.

Gli atomi infelici riducono la luminosità

La luminosità è un’importante unità di misura per i punti quantici ed è legata al numero di fotoni emessi al secondo dal punto quantico. I punti quantici emettono fotoni di un certo colore (cioè di una certa frequenza) dopo essere stati precedentemente eccitati, ad esempio, da una luce ultravioletta di frequenza superiore. In questo modo si crea il cosiddetto eccitone da un elettrone, che ora può muoversi più liberamente, e una buca, cioè un elettrone mancante nella struttura energetica a bande del materiale. L’elettrone eccitato può quindi tornare a un livello energetico inferiore e ricombinarsi con la buca. Se l’energia rilasciata in questo processo viene convertita in un fotone, il punto quantico emette luce.

Tuttavia, questo non funziona sempre. "Ci sono atomi sulla superficie dei nanocristalli di perovskite che mancano al loro vicino nel reticolo cristallino", spiega il ricercatore senior Gabriele Raino. Questi atomi di margine disturbano l’equilibrio dei portatori di carica positivi e negativi all’interno del nanocristallo e possono far sì che l’energia non venga emessa come luce durante la ricombinazione, ma venga invece convertita in vibrazioni del cristallo. Questo fa sì che il punto quantico "lampeggi", cioè non si illumini in modo continuo.

Rivestimento protettivo di fosfolipidi

Per evitare questo problema, Kovalenko e il suo team hanno sviluppato molecole personalizzate note come fosfolipidi. "Questi fosfolipidi sono molto simili ai liposomi, che vengono utilizzati, ad esempio, per incorporare il vaccino mRNA contro il coronavirus in modo che rimanga stabile nel flusso sanguigno e raggiunga le cellule", spiega Kovalenko. Una differenza importante: i ricercatori hanno ottimizzato le loro molecole in modo che la parte polare, cioè elettricamente sensibile, si agganci alla superficie dei punti quantici di perovskite e garantisca che la parte non polare del fosfolipide che sporge verso l’esterno permetta di produrre una dispersione con i punti quantici in soluzioni non acquose, ad esempio in solventi organici. Il rivestimento lipidico sulla superficie dei nanocristalli di perovskite è importante anche per la stabilità strutturale dei punti quantici, come sottolinea Kovalenko: "Questo trattamento superficiale è assolutamente essenziale per tutto ciò che vogliamo fare con i punti quantici". Finora Kovalenko e il suo team hanno dimostrato il trattamento per i punti quantici fatti di perovskiti di alogenuri di piombo, ma può essere facilmente adattato ad altri punti quantici di alogenuri metallici.

Ancora più luminosi grazie alla superradianza

Grazie alla superficie lipidica, l’infiammabilità dei punti quantici può essere ridotta a tal punto da emettere un fotone nel 95% delle ricombinazioni elettrone-buco. Tuttavia, per rendere il punto quantico ancora più luminoso, i ricercatori hanno dovuto aumentare la velocità della ricombinazione stessa, e questo è possibile solo con l’aiuto della meccanica quantistica. Uno stato eccitato, come un eccitone, decade quando un dipolo - cioè cariche positive e negative spostate l’una contro l’altra - interagisce con il campo elettromagnetico del vuoto. Più grande è il dipolo, più veloce è il decadimento. Un modo per creare un dipolo più grande è quello di accoppiare diversi dipoli più piccoli in modo uniforme. Questo è paragonabile agli orologi a pendolo, che sono collegati meccanicamente l’uno all’altro e quindi battono il tempo dopo un certo periodo di tempo.

Nell’esperimento, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che l’accoppiamento coerente funziona anche nei punti quantici di perovskite, con un singolo dipolo di eccitoni che si diffonde nell’intero volume del punto quantico grazie a effetti di meccanica quantistica, creando così diverse copie di se stesso. Più grande è il punto quantico, più copie possono essere create. Queste possono quindi causare un effetto noto come superradianza, grazie al quale l’eccitone si ricombina molto più velocemente. Il punto quantico è quindi pronto a ricevere più rapidamente un nuovo eccitone e può quindi emettere più fotoni al secondo, diventando ancora più luminoso. È importante notare che il punto quantico più veloce continua a emettere singoli fotoni (non diversi contemporaneamente) ed è quindi adatto alle tecnologie quantistiche.

Secondo Kovalenko, i punti quantici di perovskite migliorati non sono interessanti solo per la generazione di luce e i display, ma anche in altri settori meno ovvi. Ad esempio, potrebbero essere utilizzati come catalizzatori attivati dalla luce nella chimica organica. Kovalenko sta ricercando queste e altre applicazioni nell’ambito del Centro nazionale di competenza per la ricerca NCCR Catalysis.
Oliver Morsch