Científicos reconfiguran las propiedades de los puntos cuánticos

Este avance tecnológico puede significar un enorme paso hacia la nueva electrónica

Este avance tecnológico puede significar un enorme paso hacia la nueva electrónica.

Los científicos de la Universidad Nacional de Investigación Nuclear MEPhI por primera vez han demostrado el aumento en la intensidad y velocidad de emisión de los puntos cuánticos. Los autores creen que su labor en el futuro puede resolver uno de los problemas clave en la creación de una computadora cuántica.

Los puntos cuánticos son nanoestructuras fluorescentes de baja dimensión con grandes posibilidades de aplicación en el campo de la interacción entre la luz y la materia. Son capaces de absorber la luz en un amplio rango y luego emitirla en un estrecho intervalo de longitudes de ondas luminosas, que está determinado por el tamaño del nanocristal. Es decir, cada punto cuántico brilla con un color estrictamente definido. Las propiedades de los puntos cuánticos los hacen casi ideales para el registro multicolor ultrasensible de objetos biológicos, así como para diagnósticos médicos.

Las aplicaciones de los puntos cuánticos van desde accesorios de iluminación y paneles solares hasta cúbits para computación cuántica. Son superiores a los luminóforos tradicionales en fotoestabilidad y brillo. Las pantallas de puntos cuánticos pueden proporcionar un brillo y un contraste mucho más altos consumiendo menos energía que otras tecnologías.

Los investigadores del Laboratorio de Nano-Bioingeniería (LNBE) del Instituto de Ingeniería Física de Biomedicina, NRNU MEPhI, han demostrado por primera vez el aumento tanto de la intensidad como de la velocidad de emisión espontánea de puntos cuánticos semiconductores en estructuras fotónicas basadas en silicio poroso.

Los resultados obtenidos, publicados en la revista Optics Express, representan un nuevo enfoque para controlar la emisión espontánea de luminiscencia al cambiar el entorno electromagnético local de luminóforos en una matriz porosa, lo que abre la puerta a nuevas aplicaciones en biosensores, optoelectrónica, criptografía y computación cuántica.

En primer lugar, los sistemas desarrollados pueden servir como una base excelente para la creación de biosensores fluorescentes compactos para la prueba inmunoabsorbente, muy extendida en la práctica clínica. El uso de puntos cuánticos con fluorescencia potenciada por un cristal fotónico aumentará significativamente la sensibilidad del análisis, lo que permitirá el diagnóstico precoz de enfermedades cuando el contenido de biomarcadores de enfermedad en la sangre del paciente sea bajo, y facilitará el monitoreo del tratamiento del paciente.

Además, el trabajo puede servir de fundamento para una nueva base de elementos para computadoras ópticas o sistemas criptográficos, reemplazando fuentes voluminosas de fotones individuales o elementos lógicos ópticos. En este ámbito, además de compacidad y simplicidad, el uso de nuevos sistemas permitirá resolver uno de los problemas clave de la industria – la producción de fotones cuánticos simples o entrelazados bajo demanda (on-demand), que hoy en día es prácticamente irrealizable.

Los fotones entrelazados —un par de partículas que se encuentran en estados cuánticos correlacionados— juegan un papel muy importante en la física moderna. Sin pares entrelazados es prácticamente imposible realizar la comunicación cuántica y la teletransportación cuántica, así como construir computadoras cuánticas conectadas a Internet cuántico. En caso de aparición de una computadora cuántica los principios de muchas áreas de ciencia (modelado molecular, criptografía, inteligencia artificial) podrían cambiar por completo.

El resultado obtenido por los científicos de NRNU MEPhI fue posible gracias al uso de la técnica de oxidación profunda de cristales fotónicos, que permitió suprimir la extinción de la luminiscencia, así como reducir la pérdida de energía por absorción.

«Para reforzar la luminiscencia de dichas estructuras se utilizan diversos métodos, entre los que destaca el uso de cristales fotónicos. Un cambio periódico del índice de refracción en un cristal fotónico permite lograr un aumento local en la densidad de los estados fotónicos e incrementar la intensidad y la velocidad de emisión espontánea de luminóforos», dijo a Sputnik el funcionario del LNBE NRNU MEPhI, Pável Samojválov.

Para la fabricación de los cristales fotónicos, se usa ampliamente el silicio poroso, que se diferencia de otros materiales por su capacidad para controlar con precisión el índice de refracción, al igual que por lo fácil que es fabricarlo y por su capacidad de absorción.

Sin embargo, hasta ahora los investigadores no han podido aumentar la rapidez de relajación radiactiva de los luminóforos en los cristales fotónicos hechos de silicio poroso debido al decrecimiento significativo de la luminiscencia al entrar en contacto con la superficie del silicio.

Cortesía de Sputnik

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