O avanço permite que os pesquisadores criem materiais com propriedades personalizadas, desbloqueando controle sem precedentes sobre suas propriedades ópticas e eletrônicas.
Think about construir uma torre LEGO com blocos perfeitamente alinhados. Cada bloco representa um átomo em um pequeno cristal, conhecido como ponto quântico. Assim como esbarrar na torre pode mudar os blocos e mudar sua estrutura, as forças externas podem mudar os átomos em um ponto quântico, quebrando sua simetria e afetando suas propriedades.
Os cientistas aprenderam que podem intencionalmente causar quebra de simetria – ou restauração de simetria – em Pontos quânticos para criar novos materiais com propriedades únicas. Em um estudo recente, pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram como usar a luz para alterar o arranjo de átomos nessas estruturas minúsculas.
Os pontos quânticos feitos de materiais semicondutores, como o sulfeto de chumbo, são conhecidos por suas propriedades ópticas e eletrônicas únicas devido ao seu pequeno tamanho, dando -lhes o potencial de revolucionar campos como eletrônicos e imagens médicas. Ao aproveitar a capacidade de controlar a simetria nesses pontos quânticos, os cientistas podem adaptar os materiais para ter propriedades específicas relacionadas à luz e à eletricidade. Esta pesquisa abre novas possibilidades para projetar materiais que podem executar tarefas anteriormente consideradas impossíveis, oferecendo um caminho para tecnologias inovadoras.
Normalmente, espera -se que o sulfeto de chumbo forme uma estrutura cristalina cúbica, caracterizada por alta simetria semelhante à do sal de mesa. Nesta estrutura, os átomos de chumbo e enxofre devem se organizar em uma treliça muito ordenada, assim como os blocos de lego vermelho e azul alternados.
No entanto, dados anteriores sugeriram que os átomos de chumbo não estavam precisamente onde deveriam estar. Em vez disso, eles estavam ligeiramente fora do centro, levando a uma estrutura com menos simetria.
““Quando as simetrias mudam, pode alterar as propriedades de um materials e é quase como um materials novo”O físico de Argonne, Richard Schaller, explicou.“Há muito interesse na comunidade científica para encontrar maneiras de criar estados de matéria que não podem ser produzidos em condições normais. ”
A equipe usou técnicas avançadas de laser e raios-X para estudar como a estrutura dos pontos quânticos de sulfeto de chumbo mudou quando exposta à luz. No Laboratório Nacional do Acelerador SLAC da DOE, eles usaram uma ferramenta chamada MegaelectronVolt Ultrafast Elecral Difcração (MEV-UE) para observar o comportamento desses pontos quânticos em prazos incrivelmente curtos, até um trilhão de segundo.
Enquanto isso, na fonte avançada de fótons (APS), um escritório de usuários do Escritório de Ciências do DOE em Argonne, eles realizaram experimentos de espalhamento whole whole de raios-X, usando o BEAMLINE 11-ID-D para estudar mudanças estruturais temporárias em escalas de tempo até um bilionésimo de segundo. Essas medidas de raios-X se beneficiaram da recente atualização do APS, que fornece raios de raios-X de alta energia que são até 500 vezes mais brilhantes do que antes.
Além disso, no centro de materiais em nanoescala, outro escritório de usuários do Escritório de Ciências do DOE em Argonne, a equipe teve um desempenho rápido – novamente, menos de um trilhão de segundo – medições de absorção óptica para entender como os processos eletrônicos mudam quando a simetria muda. Essas instalações de última geração em Argonne e Slac desempenharam um papel essential para ajudar os pesquisadores a aprender mais sobre o controle da simetria e as propriedades ópticas dos pontos quânticos em escalas de tempo muito rápidas.
Usando essas técnicas, os pesquisadores observaram que, quando os pontos quânticos foram expostos a pequenas explosões de luz, a simetria da estrutura cristalina mudou de um estado desordenado para um mais organizado.
““Quando os pontos quânticos absorvem um pulso de luz, os elétrons excitados fazem com que o materials mude para um arranjo mais simétrico, onde os átomos de chumbo se movem de volta para uma posição centrada”Disse Burak Gulelurk, um físico da APS.
O retorno da simetria afetou diretamente as propriedades eletrônicas dos pontos quânticos. A equipe notou uma diminuição na energia de bandGAP, que é a diferença de energia que os elétrons precisam pular de um estado para outro dentro de um materials semicondutor. Essa mudança pode influenciar o quão bem os cristais conduzem eletricidade e respondem a forças externas, como campos elétricos.
Além disso, os pesquisadores também investigaram como o tamanho dos pontos quânticos e sua química da superfície influenciam as mudanças temporárias na simetria. Ao ajustar esses fatores, eles podem controlar as mudanças de simetria e ajustar as propriedades ópticas e eletrônicas dos pontos quânticos.
““Muitas vezes assumimos que a estrutura cristalina não muda, mas esses novos experimentos mostram que a estrutura nem sempre está estática quando a luz é absorvida”Disse Schaller.
As descobertas deste estudo são importantes para nanociência e tecnologia. Ser capaz de alterar a simetria dos pontos quânticos usando apenas pulsos de luz permite que os cientistas criem materiais com propriedades e funções específicas. Assim como os tijolos LEGO podem ser transformados em estruturas sem fim, os pesquisadores estão aprendendo a “construir” pontos quânticos com as propriedades que desejam, abrindo caminho para novos avanços tecnológicos.
Outros colaboradores deste trabalho incluem Jin Yu, Olaf Borkiewicz, Uta Ruett e Xiaoyi Zhang de Argonne; Joshua Portner, Justin Ondry e Ahhyun Jeong, da Universidade de Chicago; Samira Ghanbarzadeh, Thomas Area, Jihong MA e Dmitri Talapin da Universidade de Vermont; Mia Tarantola, Eliza Wieman e Benjamin Cotts do Middlebury Faculty; Alicia Chandler, da Brown College; Thomas Hopper e Aaron Lindenberg, da Universidade de Stanford; Nicolas Watkins, da Northwestern College; e Xinxin Cheng, Ming-Fu Lin, Duan Luo, Patrick Kramer, Xiaozhe Shen e Alexander Reid, do SLAC Nationwide Acelerator Laboratory.
Os resultados desta pesquisa foram publicados em materiais avançados. Este estudo foi financiado pelo Escritório de Ciências da Energia Básica da DOE e parcialmente apoiado pelo Escritório de Ciências da DOE, Escritório de Desenvolvimento da Força de Trabalho para professores e cientistas do Programa de Estágios do Laboratório de Graduação em Ciências.