Wetenschappers van de National Research Nuclear University MEPhI (MEPhI) hebben een toename aangetoond in de intensiteit en emissiesnelheid van kwantumstippen. Volgens de auteurs van de studie, de ontwikkeling kan helpen om een ​​van de belangrijkste problemen bij het maken van een kwantumcomputer op te lossen en biomedische monitoring naar een nieuw niveau te tillen. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Optica Express .

Quantum dots zijn laagdimensionale fluorescerende nanostructuren die veelbelovend zijn op het gebied van licht-materie-interactie. Ze zijn in staat om een ​​breed scala aan licht te absorberen en licht uit te zenden in een smal bereik van golflengten, die afhangt van de grootte van het nanokristal; dat is, een of andere kwantumstip gloeit met een bepaalde kleur. Deze eigenschappen maken kwantumdots bijna perfect voor ultragevoelige meerkleurenregistratie van biologische objecten, maar ook voor medische diagnostiek.

Quantum dots kunnen in een groot aantal gebieden worden gebruikt, van verlichtingstoestellen en zonnepanelen tot qubits voor quantum computing. Ze zijn beter dan traditionele fosforen in termen van fotostabiliteit en helderheid. Quantum dot-displays kunnen een veel hogere helderheid bieden, contrast en een lager stroomverbruik dan andere technologieën.

Onderzoekers van het Laboratory of Nano-Bioengineering (LNBE) van het Institute of Engineering Physics for Biomedicine, MEPHI, waren de eersten die een toename in zowel de intensiteit als de spontane emissiesnelheid van halfgeleiderkwantumdots in poreuze op silicium gebaseerde fotonische structuren hebben aangetoond.

De onderzoeksresultaten vertegenwoordigen een nieuwe benadering voor het beheersen van spontane lichtemissie door de lokale elektromagnetische omgeving van fosforen in een poreuze matrix te veranderen, wat perspectieven opent voor nieuwe toepassingen in bio-sensing, opto-elektronica, cryptografie en kwantumcomputers.

Allereerst, de nieuwe systemen kunnen dienen als basis voor compacte fluorescerende biosensoren in de vorm van een enzymgekoppelde immunosorbenttest, wijdverbreid in de klinische praktijk. Het gebruik van kwantumdots met fotonische kristalversterkte fluorescentie zal de analysegevoeligheid aanzienlijk verhogen, vroege opsporing van ziekten mogelijk maken, wanneer het aantal ziektebiomarkers in het bloed van de patiënt laag is. Het zal ook de monitoring van de behandeling van patiënten vergemakkelijken.

Bovendien, de ontwikkeling kan dienen als basis voor optische computers of cryptografische systemen, ter vervanging van omvangrijke bronnen van enkele fotonen of optische logische elementen. Naast compactheid en eenvoud, het gebruik van de nieuwe systemen op dit gebied zal het mogelijk maken een van de belangrijkste problemen van de industrie op te lossen:de on-demand productie van enkelvoudige of kwantumverstrengelde fotonen, wat tegenwoordig bijna onmogelijk is.

Verstrengelde fotonen - een paar deeltjes in gecorreleerde kwantumtoestanden - spelen een sleutelrol in de moderne natuurkunde. Zonder verstrengelde paren, het is bijna onmogelijk om kwantumcommunicatie en kwantumteleportatie te implementeren, evenals het bouwen van kwantumcomputers die zijn verbonden met het kwantuminternet. Als de kwantumcomputer is gemaakt, de principes van een hele reeks gebieden:moleculaire modellering, cryptografie, kunstmatige intelligentie—zou volledig kunnen veranderen.

MEPhI-wetenschappers zijn erin geslaagd om het resultaat te verkrijgen door het gebruik van diepe oxidatie van fotonische kristallen, waardoor het uitdoven van de luminescentie kon worden onderdrukt, evenals om het energieverlies voor absorptie te verminderen.

"Om de luminescentie van dergelijke structuren te verbeteren, verschillende methoden worden gebruikt, waaronder het gebruik van fotonische kristallen van bijzonder belang is. Periodieke variaties in de brekingsindex van het fotonische kristal maken het mogelijk om een ​​lokale toename van de dichtheid van fotonische toestanden te bereiken, waardoor de intensiteit van de fosfor en de toename van de spontane emissiesnelheid wordt waargenomen, "Pavel Samokhvalov, een onderzoeker bij LNBE MEPhI, zei.

Om fotonische kristallen te maken, poreus silicium wordt veel gebruikt, die nogal verschilt van andere materialen vanwege de mogelijkheid om de brekingsindex nauwkeurig te regelen, gemak van vervaardiging, en sorptiecapaciteit.

Echter, tot nu, de onderzoekers zijn er niet in geslaagd de stralingsrelaxatiesnelheid van de fosforen in poreuze siliciumfotonische kristallen te verhogen als gevolg van significante luminescentie-uitdoving bij contact met het siliciumoppervlak.