Nieuwe inzichten in levende cellen, helderdere videoprojectoren en nauwkeurigere medische tests zijn slechts drie van de innovaties die zouden kunnen voortvloeien uit een nieuwe manier om lasers te fabriceren.

De nieuwe methode, ontwikkeld door een internationaal onderzoeksteam van U of T Engineering, Vanderbilt-universiteit, het Los Alamos National Laboratory en anderen, produceert continu laserlicht dat helderder is, goedkoper en beter afstembaar dan de huidige apparaten door gebruik te maken van nanodeeltjes die bekend staan ​​als kwantumdots.

"We werken al meer dan tien jaar met kwantumstippen, " zegt Ted Sargent, een professor in The Edward S. Rogers Sr. Department of Electrical &Computer Engineering aan de U of T. "Ze zijn meer dan vijfduizend keer kleiner dan de breedte van een mensenhaar, waardoor ze de werelden van de kwantum- en klassieke fysica kunnen betreden en ze nuttige optische eigenschappen krijgen."

"Quantum dots zijn bekende heldere lichtstralers, " zegt Alex Voznyy, een senior onderzoeksmedewerker in het laboratorium van Sargent. "Ze kunnen veel energie absorberen en op een bepaalde frequentie opnieuw uitzenden, waardoor ze een bijzonder geschikt materiaal zijn voor lasers."

Door zorgvuldig de grootte van de kwantumstippen te controleren, de onderzoekers in het lab van Sargent kunnen de frequentie 'afstellen', of kleur, van het uitgestraalde licht naar elke gewenste waarde. Daarentegen, de meeste commerciële lasers zijn beperkt tot één specifieke frequentie, of een heel klein bereik, bepaald door de materialen waarvan ze gemaakt zijn.

Het vermogen om een ​​laser van elke gewenste frequentie uit een enkel materiaal te produceren, zou een boost geven aan wetenschappers die ziekten op het niveau van weefsels of individuele cellen willen bestuderen door nieuwe hulpmiddelen aan te bieden om biochemische reacties te onderzoeken. Ze kunnen ook laserprojectoren mogelijk maken die helderder en energiezuiniger zijn dan de huidige LCD-technologie.

Maar hoewel het vermogen van colloïdale kwantumstippen om laserlicht te produceren meer dan 15 jaar geleden voor het eerst werd aangetoond door co-auteur Victor Klimov en zijn team in het Los Alamos National Laboratory, commerciële toepassing is ongrijpbaar gebleven. Een belangrijk probleem was dat tot nu toe, de hoeveelheid licht die nodig is om de kwantumstippen te exciteren om laserlicht te produceren, is erg hoog geweest.

"Je moet de laser met steeds meer kracht stimuleren, maar er zijn ook veel warmteverliezen, "zegt Voznyy. "Uiteindelijk wordt het zo heet dat het gewoon brandt." De meeste kwantumpuntlasers zijn beperkt tot lichtpulsen van slechts enkele nanoseconden - miljardste van een seconde.

Het team, waaronder Voznyy, postdoctorale onderzoekers Fengjia Fan en Randy Sabatini en MASc-kandidaat Kris Bicanic, dit probleem overwonnen door de vorm van de kwantumstippen te veranderen, in plaats van hun grootte. Ze waren in staat om kwantumstippen te creëren met een bolvormige kern en een schaal in de vorm van een kegel, een M &M of een vliegende schotel - een 'geplette' bolvorm die bekend staat als een afgeplatte sferoïde.

De mismatch tussen de vorm van de kern en de schaal introduceert een spanning die de elektronische toestanden van de kwantumstip beïnvloedt, het verlagen van de hoeveelheid energie die nodig is om de laser te activeren. Zoals gemeld in een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur , door de innovatie lopen de quantum dots geen gevaar meer op oververhitting, zodat de resulterende laser continu kan vuren.

Terwijl kwantumstippen vaak worden gebouwd door moleculen één voor één in een vacuüm neer te zetten, Het team van Sargent mengt vloeibare oplossingen die verschillende voorlopers van kwantumdots bevatten. Als de oplossingen reageren, ze produceren vaste kwantumstippen die in de vloeistof blijven zweven - deze staan ​​bekend als colloïdale kwantumstippen. De belangrijkste innovatie van het team was om specifieke capping-moleculen aan de mix toe te voegen, waardoor ze de vorm van de deeltjes konden regelen om de gewenste eigenschappen te verkrijgen, een aanpak die Fan 'slimme chemie' noemt.

"Op oplossingen gebaseerde verwerking vermindert de kosten van het maken van kwantumdots aanzienlijk, ", zegt Fan. "Het zal het ook gemakkelijker maken om de productie op te schalen, omdat we technieken kunnen gebruiken die al in de grafische industrie zijn gevestigd."

Het project omvatte een aantal nationale en internationale partners. Computersimulaties in samenwerking met de Universiteit van Ottawa en de National Research Council leidden het ontwerp van de kwantumstippen. Analytische tests van Vanderbilt's Institute of Nanoscale Science and Engineering in Nashville, TN, evenals het Centrum voor High Technology Materials van de Universiteit van New Mexico in Albuquerque, NM en Los Alamos bevestigden dat de eindproducten de gewenste vorm hadden, samenstelling en gedrag door individuele kwantumstippen op atomair niveau te analyseren.

"We waren niet alleen onder de indruk van de constructie zelf, maar ook van het niveau van uniformiteit dat ze hebben bereikt, " zegt Sandra Rosenthal, directeur van het Vanderbilt Institute for Nanoscale Science and Engineering. "Het team van Sargent is erin geslaagd kwantumstippen te creëren met een unieke en elegante structuur. Dit is spannend onderzoek."

Het team heeft nog meer werk te doen voordat ze naar commercialisering kunnen kijken. "Voor dit proof-of-concept-apparaat we prikkelen de kwantumstippen met licht, " zegt Sabatini. "Uiteindelijk, we willen ze gaan prikkelen met elektriciteit. Ook willen we het vermogen opschalen naar milliwatt of zelfs watt. Als we dat kunnen, dan wordt het belangrijk voor laserprojectie."