Kvantljuskällor är nyckfulla. De kan flimra som stjärnor på natthimlen och slockna som en döende ficklampa. Nyligen publicerad forskning från University of Oklahoma visar dock att om man lägger till en beläggning på en av dessa ljuskällor, en så kallad kolloidal kvantpunkt, kan man få dem att lysa utan att vackla, vilket öppnar dörren till nya, prisvärda kvantmöjligheter. Resultaten finns tillgängliga i Nature Communications.
Kvantprickar, eller QD:er, är så små att om man skalar upp en enda kvantprick till storleken av en baseboll, så skulle en baseboll vara lika stor som månen. QDs används i en mängd olika produkter, från datorskärmar och lysdioder till solceller och biomedicinsk teknik. De används också inom kvantdatorer och kommunikation.
En forskningsstudie ledd av OU Assistant Professor Yitong Dong visar att om man lägger till ett kristalliserat molekylärt lager till QDs gjorda av perovskit neutraliseras ytdefekter och ytgitteret stabiliseras. På så sätt förhindras att de mörknar eller blinkar.
”När det gäller kvantberäkningar måste man kunna kontrollera hur många fotoner som sänds ut vid varje given tidpunkt”, säger han. ”QDs är notoriskt instabila, så vi arbetade för att skapa ett kristallöverdrag som kunde stabilisera deras kvantutsläpp. Det här materialet är idealiskt eftersom det är billigt att använda och skala upp och är effektivt vid rumstemperatur.”
Kvantprickar har historiskt sett haft flera problem. För det första kan deras ytor lätt bli defekta. Dessa defekter kan leda till att QD:erna slutar fungera, ofta efter bara 10-20 minuters användning. De kristallöverdrag som Dong och hans medarbetare använder förlänger den kontinuerliga fotonemissionen från QD:er till mer än 12 timmar utan något förfall och praktiskt taget utan att blinka.
För det andra har emittrar av enstaka fotoner traditionellt använts vid extremt låga kryogeniska temperaturer. Faktum är att de vanligtvis kräver flytande helium vid -452 grader Fahrenheit, vilket gör dem opraktiska för de flesta verkliga applikationer. Den här forskningen visar dock att perovskit-QD:er uppnår nästan 100% effektivitet vid rumstemperatur. Detta genombrott gör dem betydligt enklare, billigare och mer attraktiva att använda.
”Även om det har funnits ett stort intresse för de exotiska optiska egenskaperna hos detta material, så har det varit för dyrt att tillverka en enkelfotonemitter”, säger Dong. ”Men eftersom perovskite QDs kan användas vid normala temperaturer och syntetiseras till en mycket låg kostnad, tror vi att de kan bli ljuskällan i fotoniska chip för framtida kvantdatorer och kvantkommunikationsenheter.”
Enligt Dong banar dessa rön väg för framtida kvantsändare som sträcker sig bortom detta specifika material eller denna molekylära struktur.
”Enligt min mening har vår forskning djupgående konsekvenser för kvantområdet”, säger han. ”Vi har hittat ett sätt att stabilisera dessa QDs med hjälp av organiska och oorganiska molekylära kristaller, vilket öppnar dörren för andra att utforska de grundläggande optiska egenskaperna och den grundläggande fysiken hos dessa material. Det är verkligen spännande.”
För mer information: Mi, C. et al. Towards non-blinking and photostable perovskite quantum dots, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-027-55619-7, www.nature.com/articles/s41467-024-55619-7