Les scientifiques découvrent un processus qui fait obstacle à l’éclaircissement des points quantiques


Les scientifiques découvrent un processus qui fait obstacle à l'éclaircissement des points quantiques

Les chercheurs du SLAC et de Stanford ont pour la première fois observé au niveau atomique comment les nanocristaux, appelés points quantiques, perdent leur efficacité de génération de lumière lorsqu’ils sont excités par une lumière intense. Les points étaient excités par une lumière verte (ci-dessus) ou une lumière violette avec une énergie plus élevée (ci-dessous), et les scientifiques ont observé comment ils réagissaient avec une « caméra électronique », MeV-UED. Lorsque la lumière était verte, les points se détendaient et excitaient des paires d’électrons et de trous convertissant pratiquement toute l’énergie incidente en lumière. Mais lorsqu’ils ont été frappés par une lumière violette, une partie de l’énergie était piégée à la surface de la pointe. Cela déformait la disposition des atomes environnants et gaspillait de l’énergie sous forme de chaleur. Les résultats ont des implications profondes pour le développement des futures technologies quantiques et photoniques, dans lesquelles la lumière remplace les électrons dans les ordinateurs et les liquides dans les réfrigérateurs. Crédit photo: B. Guzelturk et al., Nature Communications, 25 mars 2021

Les nanocristaux semi-conducteurs brillants, appelés points quantiques, donnent aux écrans de télévision QLED leurs couleurs vives. Les tentatives d’augmentation de l’intensité de cette lumière généreront à la place de la chaleur et diminueront l’efficacité lumineuse des points.

Une nouvelle étude explique pourquoi et les résultats ont des implications profondes pour le développement des futures technologies quantiques et photoniques, dans lesquelles la lumière, par exemple, remplace les électrons dans les ordinateurs et les liquides dans les réfrigérateurs.

Dans un écran de télévision QLED, les points absorbent la lumière bleue et la transforment en vert ou en rouge. Aux basses énergies auxquelles fonctionnent les écrans de télévision, cette conversion de la lumière d’une couleur à une autre est pratiquement efficace à 100%. Cependant, avec les énergies d’excitation plus élevées requises pour des écrans plus brillants et d’autres technologies, l’efficacité diminue fortement. Les chercheurs avaient des théories sur les raisons pour lesquelles cela se produisait, mais personne ne l’avait encore observé au niveau atomique.

Pour en savoir plus, les scientifiques du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie ont utilisé une «caméra électronique» à grande vitesse pour observer les points convertir la lumière laser incidente à haute énergie en leurs propres émissions lumineuses.

Les expériences ont montré que la lumière laser incidente à haute énergie éjecte des électrons des atomes du point et de leurs trous correspondants – des points vides avec des charges positives pouvant se déplacer librement – se retrouvent piégés à la surface du point, générant une chaleur résiduelle indésirable.

De plus, les électrons et les trous se recombinent de manière à dégager de l’énergie thermique supplémentaire. Cela augmente l’oscillation des atomes du point, déforme sa structure cristalline et gaspille encore plus d’énergie, ce qui aurait pu aider à rendre les points plus brillants.

«C’est un moyen important d’aspirer l’énergie du système sans créer de lumière», a déclaré Aaron Lindenberg, professeur associé et chercheur à l’Institut de Stanford pour les sciences des matériaux et de l’énergie au SLAC, qui a dirigé l’étude avec le stagiaire postdoctoral Burak Guzelturk.

« Essayer de découvrir ce qui sous-tend ce processus a l’objet d’études pendant des décennies », a-t-il déclaré. « C’est la première fois que nous pouvons voir ce que font réellement les atomes alors que l’énergie excitée est perdue sous forme de chaleur. »

L’équipe de recherche, qui comprenait des scientifiques du SLAC, de Stanford, de l’Université de Californie à Berkeley et du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE, a décrit les résultats dans Communication de la nature aujourd’hui.

Rayonne une lueur pure et radieuse

Malgré leur petite taille – à peu près le même diamètre que quatre brins d’ADN – les nanocristaux à points quantiques sont étonnamment complexes et sophistiqués. Ils émettent une lumière extrêmement pure, dont la couleur peut être ajustée en ajustant la taille, la forme, la composition et la chimie de la surface. Les points quantiques utilisés dans cette étude ont été inventés il y a plus de deux décennies et sont largement utilisés aujourd’hui dans les écrans lumineux et écoénergétiques et dans les outils d’imagerie pour la biologie et la médecine.

Comprendre et résoudre les problèmes qui empêchent d’augmenter l’efficacité des points à des énergies plus élevées est un domaine de recherche très chaud en ce moment, a déclaré Guzelturk, qui a mené des expériences au SLAC avec le post-doctorant Ben Cotts.

Des études antérieures se sont concentrées sur le comportement des électrons des points. Dans cette étude, cependant, l’équipe a également pu suivre les mouvements d’atomes entiers à l’aide d’une caméra électronique connue sous le nom de MeV-UED. Il frappe les échantillons avec de courtes impulsions d’électrons avec des énergies très élevées, mesurées en millions d’électrons volts (MeV). Dans un processus appelé diffraction électronique ultra-rapide (DEU), les électrons se dispersent de l’échantillon dans des détecteurs, créant des motifs qui montrent ce que font à la fois les électrons et les atomes.

Alors que l’équipe SLAC / Stanford mesurait le comportement des points quantiques frappés par la lumière laser à différentes longueurs d’onde et intensités, les diplômés de l’UC Berkeley, Dipti Jasrasaria et John Philbin, ont travaillé avec le chimiste théorique de Berkeley Eran Rabani pour déterminer l’interaction résultante du calcul et comprendre l’électronique et le mouvement atomique. d’un point de vue théorique.

«Nous avons rencontré les expérimentateurs assez souvent», a déclaré Rabani. «Ils avaient un problème et nous avons commencé à travailler ensemble pour le comprendre. Les pensées allaient et venaient, mais tout a été glané des expériences qui ont été une avancée majeure pour pouvoir mesurer ce qui arrive à l’ du réseau de points quantiques, quand il est intensément excité. « 

Un avenir de basée sur la lumière

L’étude a été menée par des chercheurs d’un de recherche du DOE Energy Frontier, Photonics at Thermodynamic Boundaries, dirigé par Jennifer Dionne, professeure agrégée de science et génie des matériaux à Stanford et vice-doyenne associée principale pour les plates-formes de recherche / installations communes. Son groupe de recherche a travaillé avec le groupe de Lindenberg pour développer la technique expérimentale pour l’étude des nanocristaux.

Selon Dionne, le but ultime du centre est de démontrer des processus photoniques tels que l’absorption et l’émission de lumière aux limites des possibilités thermodynamiques. Cela pourrait créer des technologies telles que le refroidissement, le chauffage, le refroidissement et le stockage d’énergie, ainsi que des ordinateurs quantiques et de nouveaux moteurs d’exploration spatiale entièrement alimentés par la lumière.

«Pour créer des cycles thermodynamiques photoniques, vous devez contrôler précisément comment la lumière, la chaleur, les atomes et les électrons interagissent dans les matériaux», a déclaré Dionne. « Ce travail est passionnant car il offre une lentille sans précédent aux processus électroniques et thermiques qui limitent l’efficacité d’émission lumineuse. Les particules étudiées ont déjà des rendements quantiques record, mais il existe maintenant un moyen de concevoir des matériaux optiques presque parfaits. » De telles efficacités d’émission lumineuse pourraient ouvrir une myriade de grandes applications futuristes, toutes alimentées par de minuscules points qui ont été examinés avec des électrons ultrarapides.


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Plus d’information:
Burak Guzelturk et al., Distorsions dynamiques du réseau par piégeage de surface dans les nanocristaux semi-conducteurs, Communication de la nature (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-22116-0

Fourni par le laboratoire national des accélérateurs du SLAC

Citation: Les scientifiques découvrent un processus qui s’oppose à l’allégement des points quantiques (2021, 25 mars), consulté le 25 mars 2021 sur https://phys.org/news/2021-03-scientists-uncover-quantum- points – plus clairs. html

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