作者格伦达·楚伊，美国国家加速器实验室 SLAC和斯坦福的研究人员首次在原子尺度上观察到被称为量子点的纳米晶体在强光激发下会失去发光效率
量子点被绿光(上图)或更高能量的紫光(下图)激发，科学家们用一个“电子照相机”兆电子伏-UED观察它们的反应
当被绿光击中时，这些点放松了，激发的电子和空穴对将几乎所有的入射能量转化为光
但是当被紫光击中时，一些能量被截留在小点的表面；这扭曲了周围原子的排列，浪费了热能
这一结果对发展未来的量子和光子技术有着广泛的意义，在这些技术中，光取代了计算机中的电子和冰箱中的液体
信用:B
Guzelturk等人
《自然通讯》，2021年3月25日 被称为量子点的明亮半导体纳米晶体赋予QLED电视屏幕鲜艳的颜色
而是试图增加产生热量的光的强度，降低点的发光效率
一项新的研究解释了原因，其结果对发展未来的量子和光子技术具有广泛的意义，例如，光取代了计算机中的电子和冰箱中的液体
在QLED电视屏幕上，点吸收蓝光并将其转换成绿色或红色
在电视屏幕工作的低能量下，光从一种颜色到另一种颜色的转换实际上是100%有效的
但是在更亮的屏幕和其他技术需要更高的激发能量时，效率会急剧下降
研究人员有关于为什么会发生这种情况的理论，但是直到现在还没有人在原子尺度上观察到它
为了找到更多信息，美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家们使用高速“电子照相机”来观察量子点将入射的高能激光转化为自身的发光
实验表明，入射的高能激光从量子点的原子中喷射出电子，而它们相应的空穴——带正电荷的空点可以自由移动——被捕获在量子点的表面，产生不需要的废热
此外，电子和空穴以释放额外热能的方式复合
这增加了量子点原子的抖动，使其晶体结构变形，浪费了更多本可以使量子点变得更亮的能量
斯坦福大学副教授、SLAC斯坦福材料与能源科学研究所研究员亚伦·林登伯格和博士后研究员布拉克·古泽尔特克共同领导了这项研究。艾伦·林登伯格说:“这代表了一种将能量从系统中吸出而不发光的关键方式。”
“试图找出这一过程背后的原因已经是几十年来研究的主题，”他说
“这是我们第一次看到，当激发态能量以热的形式消失时，原子实际上在做什么
" 该研究团队包括来自SLAC、斯坦福、加州大学伯克利分校和美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室的科学家，他们在今天的《自然通讯》上描述了这些结果
发出纯净明亮的光芒 尽管量子点纳米晶体的尺寸很小——它们的直径大约与四股脱氧核糖核酸的直径相同——但它们惊人地复杂和高度工程化
它们发出极其纯净的光，其颜色可以通过调整它们的大小、形状、成分和表面化学来调节
这项研究中使用的量子点是20多年前发明的，如今它们被广泛用于明亮、节能的显示器以及生物和医学成像工具
在SLAC与博士后研究员本·科茨一起进行实验的古泽尔特克说，理解和解决阻碍在更高能量下使量子点更有效的问题是目前非常热门的研究领域
以前的研究集中在这些点的电子是如何运行的
但是在这项研究中，研究小组也能够用一台名为兆电子伏-UED的电子照相机观察整个原子的运动
它用能量极高的短电子脉冲撞击样品，能量以百万电子伏特(兆电子伏特)计量
在一个被称为超快电子衍射(UED)的过程中，电子从样品中散射出来，进入检测器，产生揭示电子和原子正在做什么的模式
当SLAC/斯坦福团队测量被不同波长和强度的激光击中的量子点的行为时，加州大学伯克利分校的研究生迪普蒂·贾萨拉西亚和约翰·菲尔宾与伯克利的理论化学家埃兰·拉巴尼合作，从理论的角度计算和理解电子和原子运动的相互作用
“我们经常和实验者见面，”拉巴尼说
“他们带来了一个问题，我们开始一起努力去理解它
思想在来回穿梭，但这一切都是从实验中孕育出来的，这是一项重大突破，能够测量量子点的原子晶格在强烈激发时会发生什么
" 基于光的技术的未来 这项研究是由美国能源部能源前沿研究中心热力学极限光子学的研究人员进行的，由斯坦福大学材料科学与工程副教授、研究平台/共享设施高级副教务长詹妮弗·迪翁领导
她的研究小组与林登伯格的小组合作，帮助开发探测纳米晶体的实验技术
迪翁内说，该中心的最终目标是在热力学允许的限度内展示光子过程，如光的吸收和发射
这将带来制冷、制热、制冷和储能等技术——以及量子计算机和新的太空探索引擎——完全由光驱动
“为了创造光子热力学循环，你需要精确控制光、热、原子和电子在材料中的相互作用，”迪翁说
“这项工作令人兴奋，因为它为限制光发射效率的电子和热过程提供了一个前所未有的视角
所研究的粒子已经有了创纪录的量子产率，但是现在有了一条设计近乎完美的光学材料的道路
“如此高的发光效率可能会开启一系列未来的大应用，所有这些应用都是由超快电子探测的小点驱动的
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