Επιστήμονες λύνουν το πρόβλημα της λάμψης της κβαντικής κουκίδας

Πηγή: PhysOrg, 23 Ιανουαρίου 2008

Οι κβαντικές κουκίδες - μικροσκοπικές και πυκνές πηγές ζωηρόχρωμου φωτός που μπορούν να ρυθμιστούν ως προς το χρώμα - 'φωτίζουν' τώρα νέες δυνατότητες στη βιοϊατρική έρευνα, την κρυπτογραφία και άλλους τομείς. Αλλά αυτοί ημιαγωγικοί νανοκρύσταλλοι έχουν, επίσης, κι ένα μυστικό πρόβλημα, ένα είδος νευρικού τικ. Τείνουν μυστηριωδώς να ανάβουν και να σβήνουν όπως τα χριστουγεννιάτικα φώτα των δέντρων, που μπορεί να μειώσει τη χρησιμότητά τους.

Κβαντικές κουκίδες από σεληνιούχο κάδμιο φωσφορίζουν σε διαφορετικό χρώμα ανάλογα με το μέγεθος τους

Επιστήμονες στην κοινοπραξία JILA (μεταξύ του Εθνικού Ιδρύματος Προτύπων και Τεχνολογίας και του Πανεπιστημίου του Κολοράντο) έχουν βρει έναν πιθανό τρόπο για να λύσουν το πρόβλημα των κβαντικών κουκίδων (να ανάβουν και να σβήνουν) και έχουν αναγκάσει τις κβαντικές κουκίδες να εκπέμψουν φωτόνια (τα πιο μικρά σωματίδια του φωτός) γρηγορότερα και με περισσότερη συνέπεια. Η πρόοδος αυτή θα μπορούσε να καταστήσει τις κβαντικές κουκίδες πιο ευαίσθητες ως ετικέτες φθορισμού στα βιοϊατρικά πειράματα και στις μελέτες ενός μορίου, καθώς και σταθερότερες πηγές ενός φωτονίου για την "άθραυστη" κβαντική κρυπτογράφηση.

Η ομάδα JILA έβαλε τις κουκίδες μέσα σε ένα υδατικό διάλυμα μιας αντιοξειδωτικής χημικής ουσίας - που χρησιμοποιείται ως πρόσθετο στα τρόφιμα - και αύξησε το ρυθμό εκπομπής φωτονίων 4 έως 5 φορές, ένα συγκλονιστικό αποτέλεσμα επειδή ο ρυθμός με τον οποίο το φως ακτινοβολεί θεωρείται γενικά αμετάβλητη ιδιότητα των κουκίδων, λέει ο ερευνητής στην κοινοπραξία JILA David Nesbitt.

Οι επιστήμονες μείωσαν εντυπωσιακά τη μέση χρονική καθυστέρηση μεταξύ της διέγερσης μιας κβαντικής κουκίδας και της εκπομπής των φωτονίων: από 21 νανοδευτερόλεπτα σε 4 νανοδευτερόλεπτα μειώνοντας έτσι την πιθανότητα να αναβοσβήσουν μέχρι 100 φορές. Ο Nesbitt ονόμασε το αναβόσβημα σαν "κρυμμένο βρώμικο μυστικό" των κβαντικών κουκίδων. Ο Nesbitt σημείωσε ότι η ιδιότητα αυτή - να αναβοσβήνει - δεν είναι πάντα ενοχλητική. Παραδείγματος χάριν, μπορεί να χρησιμεύσει ως ένας έλεγχος της μέτρησης των πολύ αργών ρυθμών της ροής των ηλεκτρονίων μέσω υλικών της νανοκλίμακας.

Οι κβαντικές κουκίδες που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα JILA αποτελούνταν από πυρήνες σεληνιούχου καδμίου 4 nm καλυμμένες με θειούχο ψευδάργυρο. Όταν μια κουκίδα διεγείρεται από έναν σύντομο παλμό λέιζερ, ένα ηλεκτρόνιο διαχωρίζεται από τη "οπή" που καταλαμβάνει κανονικά.

Μερικά νανοδευτερόλεπτα αργότερα, το ηλεκτρόνιο πέφτει πίσω στην οπή, παράγοντας μερικές φορές ένα μόνο φωτόνιο - πάντα σε ένα χρώμα που εξαρτάται από το μέγεθος των κουκίδων, πρασινωπό προς κίτρινο σε αυτήν την περίπτωση. Αλλά κάθε τόσο το ηλεκτρόνιο αποτυγχάνει να πάει πίσω στην οπή του και αντί αυτού εκτινάσσεται στις τυχόν ατέλειες στην επιφάνεια της κουκίδας. Η χημική ουσία που πρόσθεσαν οι ερευνητές συνδέεται προφανώς με αυτές τις ατέλειες, εμποδίζοντας έτσι το ηλεκτρόνιο να παγιδευτεί, και με αυτόν τον τρόπο απέτρεψαν την κουκίδα να αναβοσβήνει.