Punto quantico

Punti quantici colloidali irraggiati con luce ultravioletta. Punti quantici di dimensione differente emettono luce di lunghezza d'onda, e quindi colore, differente, a causa del confinamento quantico.

Un punto quantico o punto quantistico (dall'inglese quantum dot) a cui ci si riferisce anche come atomo artificiale è una nanostruttura formata da un materiale semiconduttore le cui dimensioni sono dell'ordine del raggio di Bohr dell'eccitone del materiale. Ciò permette di trovarsi nel regime di confinamento quantico, ovvero il confinamento fisico dell'eccitone all'interno della nanostruttura che provoca variazioni delle proprietà ottiche del materiale in funzione delle dimensioni dello stesso^[1]. Questa struttura genera un pozzo di potenziale tridimensionale che confina i portatori di carica, elettroni e lacune, in una piccola regione di spazio in cui i livelli energetici divengono discreti. Quest'ultima proprietà ha portato all'associazione tra punti quantici e atomi generando lo pseudonimo "atomi artificiali".

Tra i possibili impieghi vi sono l'implementazione dei qubit necessari per un computer quantistico e lo studio dello stato di condensato di Bose - Einstein. Un altro possibile impiego è quello di riserva di energia, di sorgente luminosa, di elemento per la produzione a basso costo di celle fotovoltaiche o nel campo della nanomedicina per il trasporto di chemioterapici.

Descrizione

I piccoli punti quantici, come semiconduttori nanocristallini in soluzione colloidale, hanno dimensioni tra i 2 e i 10 nanometri, corrispondenti a circa 10-50 atomi di diametro, e possono arrivare a un totale di 100 - 100.000 atomi.

I punti quantici autoassemblati hanno dimensioni di 10-50 nanometri; quelli definiti tramite litografia elettronica hanno dimensioni più grandi intorno a 100 nm.

I punti quantici possono essere contrapposti ad altre nanostrutture nei semiconduttori:

fili quantici (quantum wires), in cui gli elettroni o le lacune sono confinati in due direzioni spaziali, permettendone la propagazione libera in una terza.
pozzi quantici (quantum wells), in cui gli elettroni o le lacune sono confinati in una direzione e si possono muovere nelle altre due dimensioni.

Atomi artificiali

I punti quantici che contengono gli elettroni possono anche essere paragonati ad atomi: entrambi hanno uno spettro di energia discreto e contengono un piccolo numero di elettroni, ma diversamente dagli atomi il potenziale di confinamento dei punti quantici non mostra necessariamente una simmetria sferica. Inoltre gli elettroni limitati non si muovono nello spazio libero, ma all'interno del cristallo semiconduttore che li ospita.

Ad agosto 2020 viene pubblicato un articolo su Nature Physics in cui alcuni ricercatori creano i primi atomi artificiali tenendo insieme degli eccitoni (elettroni e lacune) tramite lo scambio di fotoni.^[2]^[3]

Applicazioni

I punti quantici vengono utilizzati come sorgenti a singolo fotone.
Usando punti quantici i Fujitsu Laboratories hanno sviluppato un semiconduttore ottico capace di ridisegnare la forma d'onda di segnali ottici ad alta velocità (circa 40Gbps). La All-Optical 3R Regeneration^{[senza fonte]}.
Sfruttando le varie emissioni d'onda dei punti quantici, alcune note marche sono riuscite a creare televisori con un'altissima resa di colore come i SUHD di Samsung o l'ultimo modello presentato al CES 2015 di TCL^[4].

Tossicità

Gli studi sui potenziali effetti dannosi sull'ambiente e la salute sono ancora limitati trattandosi di tecnologie nuove e per ciò anche il livello normativo è ancora carente. Evidenze sulla tossicità sono emerse soprattutto se usati in nanomedicina per l'interferenza coi nuclei delle cellule e concentrazioni nel fegato e milza^[5].

Note

^ (EN) Debasis Bera, Lei Qian e Teng-Kuan Tseng, Quantum Dots and Their Multimodal Applications: A Review, in Materials, vol. 3, n. 4, 24 marzo 2010, pp. 2260–2345, DOI:10.3390/ma3042260. URL consultato il 4 ottobre 2024.
^ Una colla composta di fotoni, per tenere insieme la materia, in lescienze.it, 5 ottobre 2020. URL consultato il 17 novembre 2020.
^ (EN) Excitons bound by photon exchange, in swissquantumhub.com, 18 agosto 2020. URL consultato il 17 novembre 2020 (archiviato dall'url originale il 29 giugno 2022).
^ Maurizio Pesce, CES 2015, TCL ha fatto un tv con i pixel quantistici, su wired.it, 7 gennaio 2015.
^ Massimo Masserini, Come ci cureremo domani. La scommessa della nanomedicina, 2017, cap.7 I pericoli, il Mulino, ISBN 978 8815 27074 0

Bibliografia

(EN) M. A. Reed, J. N. Randall, R. J. Aggarwal, R. J. Matyi, T. M. Moore, and A. E. Wetsel, Observation of discrete electronic states in a zero-dimensional semiconductor nanostructure, in Phys. Rev. Lett., vol. 60, n. 6, 1988, pp. 535-537. PDF
(EN) M. A. Reed, Quantum Dots, in Scientific American, n. 268, 1993, pp. 118-123. PDF
Murray, C. B., Norris, D. J., & Bawendi, M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = S, Se, Te) semiconductor nanocrystallites J. Am. Chem. Soc. 115, 8706-8715, 1993.
Peng, Z. A., Peng, X.; Formation of high-quality CdTe, CdSe, and CdS nanocrystals using CdO as precursor (123), J. Am. Chem. Soc., 2001, 183-184.
Wang, C., Shim, M. & Guyot-Sionnest, P. Electrochromic nanocrystal quantum dots., Science 291 2390-2392 (2001).
Michalet, X. & Pinaud, F. F. & Bentolila, L. A. & Tsay, J. M. & Doose, S. & Li, J. J. & Sundaresan, G. & Wu, A. M. & Gambhir, S. S. & Weiss, S. (2005, January 28). Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. In Science, 307, 538 – 544.
Shim, M. & Guyot-Sionnest, P. N-type colloidal semiconductor nanocrystals., NATURE 407 (6807): 981-983 OCT 26 2000
W. E. Buhro and V. L. Colvin, Semiconductor nanocrystals: Shape matters, Nat. Mater., 2003, 2, 138 139.
S. Bandyopadhyay and A. E. Miller (2001). "Electrochemically self-assembled ordered nanostructure arrays: Quantum dots, dashes, and wires", Handbook of Advanced Electronic and Photonic Materials and Devices,6.
High Efficiency Carrier Multiplication in PbSe Nanocrystals: Implications for Solar Energy Conversion^{[collegamento interrotto]} R. D. Schaller and V. I. Klimov, Phys. Rev. Lett. 92, 186601 (2004)
Michael J. Bowers II, James R. McBride, and Sandra J. Rosenthal (2005). White-Light Emission from Magic-Sized Cadmium Selenide Nanocrystals, Journal of the American Chemical Society, 18 ottobre 2005.