Les chimistes du MIT obtiennent des points quantiques pour arrêter de clignoter

Les chimistes du MIT ont trouvé un moyen de contrôler le clignotement indésirable des points quantiques, représentés ici par des sphères jaunes, sans nécessiter aucune modification de la formulation ou du processus de fabrication. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs

Une nouvelle approche résout un problème persistant d’intermittence qui a entravé l’utilisation des minuscules émetteurs de lumière pour l’imagerie biologique ou la photonique quantique.

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.

Désormais, une équipe de chimistes de AVEC a trouvé un moyen de contrôler ce clignotement indésirable sans nécessiter aucune modification de la formulation ou du processus de fabrication. En tirant un faisceau de lumière laser dans l’infrarouge moyen pendant un instant infinitésimal – quelques billions de seconde – le clignotement de la boîte 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 publié le 22 novembre 2021 dans la revue Nature Nanotechnologie, 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 acquièrent de l’énergie à partir de la lumière qui les éclaire, les électrons peuvent passer à une bande d’énergie plus élevée ; lorsqu’ils reviennent à leur niveau antérieur, de 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. « À partir de ce moment-là », dit Bawendi, « je faisais des présentations [about quantum dots], et les gens disaient : « faites que ça s’en aille ! » Ainsi, beaucoup d’efforts ont été déployés pour essayer de l’éliminer en créant 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’a été 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 infrarouges moyennes ultra-rapides, et les points quantiques peuvent rester à l’état « activé ». Cela peut potentiellement être très utile pour des applications, comme dans l’informatique quantique, où vous avez vraiment besoin d’une source lumineuse de photons uniques sans aucune intermittence.

De même, pour les applications de recherche biomédicale, éliminer le clignement est essentiel, 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 médicamenteuses sont internalisées dans la cellule et où elles se retrouvent dans les organites subcellulaires. 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 essentiellement 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 le point quantique a peut-être un électron quelque part à la surface. » Au lieu d’être électriquement neutre, la boîte quantique a maintenant une charge nette, et bien qu’elle 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 puisse 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 moyen, les charges supplémentaires ont tendance à se détacher de la surface, permettant aux points quantiques de produire des émissions stables et d’arrêter leur clignotement.

Il s’avère, selon Utzat, qu’il s’agit d’un « processus très général », qui pourrait s’avérer utile pour traiter l’intermittence anormale dans certains autres appareils, tels que les centres de vacance 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 pointe, la boîte 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 moyen est applicable 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 prêtes pour des applications commerciales. Le même principe pourrait également s’étendre aux fréquences térahertz, dit-il, un domaine qui a été en cours de développement dans son laboratoire et d’autres et qui pourrait en principe conduire à des appareils beaucoup plus petits et moins chers.

Référence : « Contrôle du clignotement de la fluorescence tout optique dans les points quantiques avec des impulsions infrarouges moyennes ultrarapides » par Jiaojian Shi, Weiwei Sun, Hendrik Utzat, Ardavan Farahvash, Frank Y. Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov, Adam P. Willard, Keith A Nelson et Moungi G. Bawendi, 22 novembre 2021, Nature Nanotechnology.
DOI : 10.1038/s41565-021-01016-w

L’équipe de recherche comprenait également Ardavan Farahvash, Frank Gao, Zhuquan Zhang, Ulugbek Barotov et Adam Willard, tous au MIT. Le travail a été soutenu par le US Army Research Lab et le US Army Research Office par le biais de l’Institute for Soldier Nanotechnologies, du département américain de l’Énergie et du Samsung Global Outreach Program.