Stellen Sie sich vor, Sie bauen einen Lego -Turm mit perfekt ausgerichteten Blöcken. Jeder Block repräsentiert ein Atom in einem winzigen Kristall, der als Quantenpunkt bekannt ist. Genau wie das Anfahren des Turms die Blöcke verändern und ihre Struktur verändern kann, können externe Kräfte die Atome in einem Quantenpunkt verschieben, ihre Symmetrie brechen und ihre Eigenschaften beeinflussen.
Wissenschaftler haben gelernt, dass sie absichtlich Symmetrie brechen können – oder eine Symmetrie -Wiederherstellung – in Quantenpunkten, um neue Materialien mit einzigartigen Eigenschaften zu erzeugen. In einer kürzlich durchgeführten Studie haben Forscher des Argonne National Laboratory des US Department of Energy (DOE) entdeckt, wie man Licht mit Licht verwendet, um die Anordnung von Atomen in diesen winzigen Strukturen zu ändern.
Quantenpunkte aus Halbleitermaterialien wie Bleisulfid sind aufgrund ihrer winzigen Größe für ihre einzigartigen optischen und elektronischen Eigenschaften bekannt, die ihnen das Potenzial geben, Felder wie Elektronik und medizinische Bildgebung zu revolutionieren. Indem Wissenschaftler die Fähigkeit zur Kontrolle der Symmetrie in diesen Quantenpunkten nutzen, können Wissenschaftler die Materialien auf spezifische Licht- und Elektrizitätseigenschaften anpassen. Diese Forschung eröffnet neue Möglichkeiten zum Entwerfen von Materialien, mit denen bissige Aufgaben erledigt werden können, und bieten einen Weg zu innovativen Technologien.
Typischerweise wird erwartet, dass Bleisulfid eine kubische Kristallstruktur bildet, die durch eine hohe Symmetrie gekennzeichnet ist, die der von Tischsalz ähnelt. In dieser Struktur sollten sich Blei- und Schwefelatome in einem sehr geordneten Gitter anordnen, ähnlich wie wechselnde rote und blaue Legoblöcke.
Frühere Daten haben jedoch darauf hingewiesen, dass die Bleiatome nicht genau dort waren, wo sie erwartet wurden. Stattdessen waren sie leicht außerhalb der Mitte, was zu einer Struktur mit weniger Symmetrie führte.
„Wenn sich Symmetrien ändern, kann es die Eigenschaften eines Materials verändern, und es ist fast wie ein brandneues Material“, erklärte der Argonne-Physiker Richard Schaller. „Es besteht großes Interesse an der wissenschaftlichen Gemeinschaft, Wege zu finden, um Materiezustände zu schaffen, die unter normalen Bedingungen nicht erzeugt werden können.“
Das Team verwendete fortschrittliche Laser- und Röntgentechniken, um zu untersuchen, wie sich die Struktur von Bleisulfidquantenpunkten verändert hat, wenn sie Licht ausgesetzt waren. Im SLAC National Accelerator Laboratory von DOE verwendeten sie ein Werkzeug namens Megaelectronvolt Ultrafastelektronenbeugung (MEV-EUE), um das Verhalten dieser Quantenpunkte in unglaublich kurzen Zeitrahmen bis zu einer Billion einer Sekunde zu beobachten.
In der Advanced Photon Source (APS), einer DOE Office of Science User Facility bei Argonne, führten sie ultraschnelle Röntgenstreuungsexperimente unter Verwendung von Beamline 11-ID-D durch, um temporäre strukturelle Veränderungen in Zeitskalen bis zu einer Milliardenstel einer Sekunde zu untersuchen. Diese Röntgenmessungen profitierten von der jüngsten APS-Upgrade, die energiereiche Röntgenstrahlen liefert, die bis zu 500-mal heller sind als zuvor.
Darüber hinaus führte das Team im Zentrum für nanoskalige Materialien, ein weiteres DOE Office of Science User Facility bei Argonne, schnell durch – noch weniger als eine Billionsth einer zweiten – optische Absorptionsmessungen, um zu verstehen, wie sich die elektronischen Prozesse ändern, wenn sich die Symmetrie ändert. Diese hochmodernen Einrichtungen von Argonne und SLAC spielten eine entscheidende Rolle, um Forschern zu helfen, mehr über die Kontrolle der Symmetrie und die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte auf sehr schnellen Zeitskalen zu erfahren.
Unter Verwendung dieser Techniken beobachteten die Forscher, dass sich die Symmetrie der Kristallstruktur von einem ungeordneten Zustand zu einem stärker organisierten.
„Wenn Quantenpunkte einen leichten Impuls absorbieren, veranlassen die angeregten Elektronen das Material auf eine symmetrischere Anordnung, bei der sich die Bleiatome in eine zentrierte Position zurückziehen“, sagte Burak Guzelturk, Physiker bei den APs.
Die Rückkehr der Symmetrie wirkte sich direkt auf die elektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte aus. Das Team bemerkte eine Abnahme der Bandgap -Energie, was den Energieunterschied ist, den Elektronen innerhalb eines Halbleitermaterials von einem Zustand in einen anderen wenden müssen. Diese Veränderung kann beeinflussen, wie gut die Kristalle Strom leiten und auf externe Kräfte wie elektrische Felder reagieren.
Darüber hinaus untersuchten die Forscher auch, wie die Größe der Quantenpunkte und ihre Oberflächenchemie die temporären Veränderungen der Symmetrie beeinflussen. Durch das Einstellen dieser Faktoren könnten sie die Symmetrieverschiebungen steuern und die optischen und elektronischen Eigenschaften der Quantenpunkte fein abteilen.
„Wir gehen oft davon aus, dass sich die Kristallstruktur nicht wirklich ändert, aber diese neuen Experimente zeigen, dass die Struktur nicht immer statisch ist, wenn Licht absorbiert wird“, sagte Schaller.
Die Ergebnisse dieser Studie sind wichtig für Nanowissenschaften und Technologie. Wenn Sie in der Lage sind, die Symmetrie von Quantenpunkten mit nur leichten Impulsen zu ändern, können Wissenschaftler Materialien mit spezifischen Eigenschaften und Funktionen erstellen. So wie Lego -Steine in endlose Strukturen umgewandelt werden können, lernen die Forscher, wie sie Quantenpunkte mit den gewünschten Eigenschaften aufbauen und den Weg für neue technologische Fortschritte ebnen.
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in veröffentlicht in Fortgeschrittene Materialien.
Weitere Informationen:
Burak Guzelturk et al., Ultrafast Symmetriekontrolle in photoerzierten Quantenpunkten, Fortgeschrittene Materialien (2024). Doi: 10.1002/adma.202414196