Zespół z Uniwersytetu Oklahoma, kierowany przez asystenta profesora Yitonga Donga, zrobił z tymi nanokryształami coś, co przez lata uchodziło za ekstremalnie trudne, a nawet praktycznie niewykonalne. Skutecznie je bowiem namagnesował, wprowadzając do ich wnętrza rekordowe ilości manganu. W efekcie powstał materiał, który nie tylko świeci, ale także reaguje na pole magnetyczne. Ten pozornie subtelny dodatek otwiera drzwi dla całkowicie nowej klasy kropek kwantowych, bo nie tylko optycznych, lecz magnetooptycznych, co stawia proste pytanie – czy patrzymy właśnie na zaczątek zupełnie nowej rodziny komponentów dla fotowoltaiki, medycyny obrazowej i obliczeń kwantowych?
Problematyczna kwestia namagnesowywania nanokryształów
Próby wprowadzenia manganu do struktury popularnego nanomateriału, jakim jest bromek ołowiu cezu, napotykały przez lata poważne bariery. Materiał ten, oznaczany jako CsPbBr₃, jest powszechnie stosowany, ale wzbogacenie go o użyteczne stężenia magnetycznego manganu wydawało się niepraktyczne. Wcześniejsze eksperymenty “wpychania” manganu do nanokryształów kończyły się jedynie śladowymi ilościami tego pierwiastka.
Czytaj też: Siedem gigantów fotowoltaiki śledzi ten projekt. Może zmienić cały rynek fotowoltaiczny
Rozwiązanie zaproponowane przez zespół Donga jest zaskakująco eleganckie. Naukowcy stworzyli specyficzne warunki chemiczne, usuwając część jonów cezu i zapewniając obfitość bromku. W takim środowisku szybko rosnące kryształy chłonęły dodawane jony manganu niezwykle efektywnie. Wypierały one nawet do 40 procent jonów ołowiu, osiągając stężenie manganu wielokrotnie wyższe od dotychczasowych rekordów.
Naukowcy namagnesowali kropki kwantowe. Ekrany, panele słoneczne i komputery kwantowe mogą się zmienić nie do poznania
Na poziomie fizyki materiałów to, czego dokonał zespół Donga, wykracza poza kosmetyczne poprawki. W praktyce mamy do czynienia z przykładem tzw. rozcieńczonego półprzewodnika magnetycznego, w którym część jonów w klasycznym półprzewodniku zostaje zastąpiona jonami o silnych właściwościach magnetycznych. Takie materiały od lat były obiektem zainteresowania badaczy spintroniki, czyli dziedziny próbującej wykorzystać nie tylko ładunek elektronu, ale także jego spin, czyli własny moment magnetyczny. Problem w tym, że na poziomie nanokryształów efektywne i powtarzalne domieszkowanie było bardziej ambitnym marzeniem niż powtarzalną techniką.
Rekordowo wysokie stężenie manganu w CsPbBr₃ oznacza nie tylko zmianę koloru i pojawienie się możliwości manipulowania materiałem za pomocą magnesu. W praktyce daje to badaczom nową gałkę regulacyjną. Mogą oni niezależnie stroić parametry optyczne (czyli barwę i sprawność świecenia) oraz magnetyczne, zamiast wiązać jedno z drugim poprzez mozolną kontrolę rozmiaru nanokryształów. Otwiera to drogę do projektowania kropek pod konkretne zastosowania – inne dla oświetlenia w szklarniach, inne dla markerów w obrazowaniu medycznym, a jeszcze inne dla kubitów sterowanych światłem.
Czytaj też: Chińska chemia chce przejąć akumulatory przyszłości. Tinci właśnie zgarnęło 8 kluczowych patentów
Skoro udało się w tak agresywny sposób podmienić część jonów ołowiu manganem, to podobne strategie można w przyszłości zastosować, by zastąpić kontrowersyjny, toksyczny ołów mniej problematycznymi pierwiastkami. Dziś w centrum uwagi jest magnetyzm i rekordowe domieszkowanie, ale w tle pojawia się dużo szersza perspektywa – możliwość stopniowego przeprojektowania kropek kwantowych tak, by były nie tylko wydajne, ale też bezpieczniejsze dla środowiska.
Więcej niż zmiana koloru. Spektakularna przemiana właściwości
Efekt tego procesu jest widowiskowy. Standardowe kropki z bromku ołowiu cezu świecą niebieskim światłem, ale po domieszkowaniu manganem emitują ciepłą, pomarańczową barwę z niemal doskonałą wydajnością. Co kluczowe, ta zmiana nie wynika (jak to zwykle bywa) ze zmiany fizycznych rozmiarów nanocząstek, ale z chemicznej modyfikacji ich wnętrza. Jest to ważna różnica praktyczna, bo dotychczas kolor światła kropek kwantowych był uzyskiwany głównie przez precyzyjne kontrolowanie ich wielkości, co jest procesem wymagającym i kosztownym. Nowa metoda chemicznego dostrajania otwiera tym samym alternatywną drogę, która na dodatek jest potencjalnie prostsza i tańsza. Największą nowością są jednak nabyte właściwości magnetyczne. Dzięki manganowi kropkami można manipulować za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, co jest zupełnie nową cechą dla tej klasy materiałów.
Czytaj też: Natura podpowiada atomowi jak być wydajniejszym. Naukowcy odkryli sposób na potrojenie mocy reaktorów
Ciepłe, pomarańczowe światło ma bezpośrednie zastosowania. Jest przyjemniejsze dla ludzkiego oka niż intensywny niebieski, co można wykorzystać w oświetleniu. Znacznie ciekawsze jest jednak jego oddziaływanie na rośliny. Wiele upraw w rolnictwie wewnętrznym efektywniej absorbuje właśnie światło o dłuższych falach, co może przekładać się na lepsze plony w kontrolowanych farmach pionowych. Tak ulepszone właściwości optyczne mogą również zwiększyć wydajność ogniw słonecznych nowej generacji. Magnetyczny charakter materiału poszerza spektrum zastosowań o zupełnie nowe dziedziny. W medycynie namagnesowane kropki mogłyby służyć jako precyzyjne znaczniki w obrazowaniu, które byłyby sterowane z zewnątrz. W elektronice i komunikacji ich unikalne właściwości mogłyby z kolei znaleźć zastosowanie w nowych metodach przetwarzania i przechowywania danych.
Potencjał ogromny, ale rewolucja ciągle odległa
Najbardziej futurystyczna, ale i obiecująca, jest wizja wykorzystania tych kropek w obliczeniach kwantowych. Mogłyby one działać jako kubity, czyli podstawowe nośniki informacji w komputerze kwantowym, które byłyby kontrolowane za pomocą światła, a nie prądu elektrycznego. Jest to jednak wciąż odległa perspektywa, która wymaga lat badań. Obecne odkrycie jest dopiero pierwszym, choć niezwykle ważnym, krokiem w tym kierunku. Przed tą technologią stoi klasyczny zestaw pytań, które decydują o losie większości przełomów materiałowych, bo jak bardzo stabilne są nowe kropki w dłuższym horyzoncie czasu? Czy da się powtórzyć ten proces w dużej skali i w sposób powtarzalny? Jak pogodzić wysoką wydajność z wymogami bezpieczeństwa środowiskowego?
To są zagadnienia z rodzaju tych, których nie rozwiąże nawet najbardziej efektowny wynik z jednego laboratorium. Jednocześnie trudno oprzeć się wrażeniu, że właśnie obserwujemy pierwsze poważne przymiarki do przekształcenia kropek kwantowych z ciekawostki telewizyjnej w pełnoprawne narzędzie inżynierii światła, magnetyzmu i informacji. Jeśli ten kierunek się utrwali, to za kilka lat telewizor w salonie może okazać się najmniej ambitnym miejscem, w którym pracują kropki kwantowe.