Gezamenlijk onderzoek in de Notre Dame heeft aangetoond dat elektronische interacties een belangrijke rol spelen in de dimensionale crossover van halfgeleider nanomaterialen. Het laboratorium van Masaru Kuno, hoogleraar scheikunde en biochemie, en de theoriegroep van de gecondenseerde materie van Boldizsár Jankó, hoogleraar natuurkunde, hebben nu aangetoond dat een kritische lengteschaal de overgang markeert tussen een nuldimensionale, quantum dot en een eendimensionale nanodraad.

De bevindingen, "Dimensionale crossover in halfgeleider nanostructuren, " werden gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Matthew P. McDonald en Rusha Chatterjee van Kuno's laboratorium en Jixin Si van Jankó's groep zijn ook auteurs van de publicatie.

Een kwantumpuntstructuur heeft in elke richting dezelfde fysieke afmetingen, terwijl een kwantumdraad één dimensie langer heeft dan de andere. Dit betekent dat kwantumdots en nanodraden gemaakt van hetzelfde materiaal verschillende optische en elektrische reacties vertonen op nanoschaal, omdat deze eigenschappen buitengewoon afhankelijk zijn van grootte en vorm. Het begrijpen van de grootte- en vormafhankelijke evolutie van de eigenschappen van nanomaterialen is daarom de afgelopen twee decennia een centraal aandachtspunt geweest van de nanowetenschap. Echter, het is nooit definitief vastgesteld hoe een kwantumpunt evolueert naar een nanodraad naarmate de beeldverhouding steeds groter wordt. Evolueren kwantumeigenschappen geleidelijk of gaan ze plotseling over?

Kuno's laboratorium ontdekte dat er een kritische lengte bestaat waar een quantum dot nanodraadachtig wordt. De onderzoekers bereikten deze doorbraak door de eerste directe, absorptiemetingen van enkelvoudige deeltjes op individuele halfgeleider nanostaafjes, een tussensoort tussen quantum dots en nanodraden. Er werden metingen van enkelvoudige deeltjes in plaats van ensembles gebruikt om de effecten van inhomogeniteiten van monsters te vermijden. Verder, een absorptiebenadering in plaats van een vaak gebruikte emissiebenadering werd gebruikt om de bestaande beperkingen van moderne emissiegebaseerde microscopie met enkelvoudige deeltjes te omzeilen, namelijk, de beperking tot de waarneming van sterk fluorescerende exemplaren.

De ontdekking markeert een belangrijke vooruitgang in ons begrip van de grootte- en vormafhankelijke kwantummechanische respons van halfgeleider nanostructuren. "Alle inleidende leerboeken over solid state of halfgeleiders moeten herzien wat ze zeggen over dimensionale crossover, "Zei Jankó. "Dit is een ander voorbeeld waar interacties dingen compleet anders maken." Kuno suggereert dat de benadering van de absorptie van enkelvoudige deeltjes die in de studie is ontwikkeld "praktische, toepassingen in de echte wereld, misschien 40 jaar verder." Voorbeelden zijn de generieke en labelvrije ultragevoelige detectie van chemische en biomoleculaire soorten die van het grootste belang zijn op het gebied van binnenlandse veiligheid en volksgezondheid.

De groep van Kuno voerde de experimenten uit die tot de ontdekking leidden, terwijl de groep van Jankó theoretische ondersteuning bood.