Emissione di luce estremamente luminosa e veloce

Un team internazionale di scienziati dell'ETH di Zurigo, dell'IBM Research Zurich, dell'Empa e di quattro istituti di ricerca americani ha trovato la spiegazione del perché una classe di nanocristalli, studiata intensamente negli ultimi anni, si illumina di colori così incredibilmente brillanti. I nanocristalli sono costituiti da composti di alogenuro di cesio e piombo disposti in una struttura reticolare detta perovskite.

Tre anni fa, Maksym Kovalenko, professore dell'ETH di Zurigo e dell'Empa, è riuscito a produrre nanocristalli - o punti quantici, come sono anche conosciuti - da questo materiale semiconduttore. "Questi minuscoli cristalli si sono rivelati fonti di luce estremamente luminose e ad emissione rapida, più luminose e più veloci di qualsiasi altro tipo di punto quantico studiato finora", spiega Kovalenko. Variando la composizione degli elementi chimici e la dimensione delle nanoparticelle, Kovalenko è riuscito anche a produrre nanocristalli diversi che brillano nei colori dell'intero spettro visibile. Questi punti quantici vengono quindi commercializzati anche come componenti di futuri diodi e schermi a emissione luminosa.

In un articolo pubblicato sull'ultimo numero della rivista di settore pagina esternaLa natura Il team internazionale di ricercatori ha ora analizzato questi nanocristalli singolarmente e in dettaglio in uno studio pubblicato sulla rivista Study. Gli scienziati hanno potuto confermare che i nanocristalli emettono luce in modo estremamente rapido. I punti quantici studiati in precedenza emettono luce a temperatura ambiente circa 20 nanosecondi dopo essere stati eccitati. Questo è già molto veloce. "I punti quantici di alogenuro di piombo di cesio, invece, emettono luce a temperatura ambiente dopo appena un nanosecondo", spiega Michael Becker, primo autore dello studio. È dottorando all'ETH di Zurigo e sta svolgendo la sua tesi di dottorato all'IBM Research.

Coppia elettrone-foro in uno stato eccitato

Per capire perché i punti quantici di alogenuro di cesio e piombo non solo sono veloci ma anche molto luminosi, è necessario addentrarsi nel mondo dei singoli atomi, delle particelle di luce (fotoni) e degli elettroni: "I nanocristalli semiconduttori possono essere eccitati da un fotone in modo tale che un elettrone abbandoni il suo posto abituale nel reticolo cristallino e lasci una lacuna", spiega David Norris, professore di ingegneria dei materiali all'ETH di Zurigo. Il risultato è una coppia elettrone-buco che si trova in uno stato energetico eccitato. Se la coppia elettrone-buco ricade nel suo stato energetico di massa, viene emessa luce.

In determinate condizioni, sono possibili diversi stati di energia eccitata, il più probabile dei quali è chiamato "stato oscuro" in molti materiali. "In questo stato oscuro, la coppia elettrone-hole non può tornare direttamente allo stato di massa. L'emissione di luce è quindi soppressa, più lenta e meno luminosa", afferma Rainer Mahrt, scienziato dell'IBM Research.

Non allo stato oscuro

Come i ricercatori sono ora riusciti a dimostrare, i punti quantici di alogenuro di piombo di cesio si differenziano dagli altri punti quantici: Nei punti quantici di alogenuro di piombo di cesio, lo stato energetico eccitato più probabile non è uno stato oscuro. Piuttosto, le coppie elettrone-buco eccitate si trovano in uno stato da cui possono emettere immediatamente luce. "Questo è il motivo per cui brillano così tanto", spiega Norris.

I ricercatori sono giunti a questa conclusione sulla base dei nuovi dati sperimentali e con l'aiuto di considerazioni teoriche guidate da Alexander Efros, fisico teorico presso il Naval Research Laboratory di Washington. Egli è un pioniere della ricerca sui punti quantici e, insieme ad altri scienziati, ha scoperto 35 anni fa il funzionamento dei nanocristalli semiconduttori tradizionali.

Eccellente per la trasmissione dei dati

Poiché i punti quantici di cesio-piombo-alide oggetto di studio non sono solo luminosi ma anche economici da produrre, sono adatti all'uso nei display. Diverse aziende, sia in Svizzera che nel resto del mondo, stanno svolgendo attività di sviluppo in questo settore. "Poiché i punti quantici possono emettere fotoni molto rapidamente, sono interessanti anche per la comunicazione ottica dei dati nei centri di calcolo e nei supercomputer. Componenti veloci, piccoli ed efficienti sono particolarmente importanti in questo campo", afferma Mahrt. Un'altra applicazione futura potrebbe essere la simulazione ottica di sistemi quantistici, importante nella ricerca fondamentale e nell'ingegneria dei materiali.

Infine, l'ETH Norris è interessato a utilizzare le nuove conoscenze per lo sviluppo di nuovi materiali. "Ora che abbiamo capito perché questi punti quantici sono così luminosi, possiamo pensare di sviluppare altri materiali con proprietà simili o addirittura migliori", afferma.