是什么阻止量子点变亮？

DOE / SLAC研究人员发现了降低量子点发光效率的过程

试图增加量子点产生的光强度反而会产生热量，从而降低量子点的发光效率。

美国能源部SLAC国家加速器实验室的科学家进行的一项新研究解释了为什么，并且该结果对开发未来的量子和光子技术具有广泛的意义，例如，光可以代替计算机中的电子和冰箱中的流体。

科学家们使用高速电子相机观察量子点，将入射的高能激光转化为自身的发光。

实验表明，入射的高能激光会从量子点的原子中发射出电子，并且它们相应的空穴被困在量子点的表面，从而产生了多余的废热。

另外，电子和空穴以释放额外热能的方式重新结合。 这会增加点原子的抖动，使其晶体结构变形，并浪费更多的能量，而这些能量本来可以使量子点变得更亮。

“这代表了从系统中吸收能量而不产生光的一种关键方法。” Aaron Lindenberg说，他是

斯坦福大学副教授兼SLAC斯坦福大学材料与能源科学研究所的研究员，和博士后研究员Burak Guzelturk一起领导了这项研究。

他说：“几十年来，试图弄清这个过程的基础一直是研究的主题。” “这是我们第一次看到原子在激发态能量作为热而损失时实际上在做什么。”

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《自然通讯》上描述了这些结果。

上图显示了绿光（顶部）或高能量紫色光（底部）如何激发量子点。 当受到绿光照射时，这些量子点会放松，激发的电子和空穴对几乎将所有传入的能量转换为光。 但是当被紫光照射时，一些能量被困在量子点的表面上。 这扭曲了周围原子的排列，并浪费了作为热能的热量。

发出纯净，灿烂的光芒

以前的研究主要集中在量子点的电子行为上。但是在这项研究中，该团队也能够使用称为MeV-UED的电子摄像机看到整个原子的运动。它以极高能量的短脉冲电子撞击样品，以百万电子伏特（MeV）计量。在称为超快电子衍射（UED）的过程中，电子从样品中散射出来并进入检测器，从而形成揭示电子和原子的行为的图形。

当SLAC /斯坦福大学的团队测量了被不同波长和强度的激光撞击的量子点的行为时，加州大学伯克利分校的研究生Dipti Jasrasaria和John Philbin与伯克利理论化学家Eran Rabani合作，他们从理论角度计算并理解了电子运动和原子运动的相互作用。。

光基技术的未来

这项研究是由美国能源部能源前沿研究中心的研究人员在热力学极限光子学领域进行的，该中心由斯坦福大学材料科学与工程学副教授，研究平台/共享设施的高级副教务长詹妮弗·迪昂（Jennifer Dionne）领导。她的研究小组与Lindenberg小组合作，帮助开发了探测纳米晶体的实验技术。

Dionne说，该中心的最终目标是在热力学允许的范围内演示光子过程，例如光的吸收和发射。这可能带来制冷，加热，冷却和能量存储等技术，以及完全由光驱动的量子计算机和用于太空探索的新型发动机。

Dionne说：“要创建光子热力学循环，您需要精确地控制光，热，原子和电子在材料中的相互作用方式。” “这项工作令人兴奋，因为它为电子和热工艺提供了前所未有的镜头，从而限制了发光效率。所研究的粒子已经具有创纪录的量子产率，但是现在有了一条通往设计几乎完美的光学材料的道路。”如此高的发光效率可能会开启大量的未来应用，所有这些应用都是由超快电子探测到的微小量子点驱动的。

Burak Guzelturk等人的《由半导体纳米晶体中的表面陷阱驱动的动态晶格畸变》；自然通讯第12卷，文章编号：1860（2021）