Работа исследователей из США и Канады над усилением двухфотонного поглощения подтвердила, что отдельные полупроводниковые квантовые точки, как например структуры из сульфида свинца, могут быть идеальными для применения в оптических коммуникациях, биомаркировке и трехмерном изображении. Стоит отметить, что предшествовавшие работы опровергали саму идею использования квантовых точек в этом приложении.

Первые квантовые точки были синтезированы около 20 лет назад. Практически сразу квантование энергетических уровней носителей тока в этих миниатюрных структурах натолкнула ученых на мысль о том, что квантовые точки помогут усилить всевозможные нелинейные оптические эффекты, к примеру, двухфотонное поглощение.

Двухфотонное поглощение – это частный случай явления многофотонного поглощения, в рамках которого поглощается несколько фотонов и осуществляется квантовый переход частицы из одного состояния в другое (с большей энергией). Двухфотонное поглощение в квантовой точке возможно, когда источник света настолько ярок, что велика вероятность существования двух схожих фотонов близко друг от друга, а их суммарная энергия равно разнице между электронными уровнями электронов в квантовых точках (жестко детерминированными за счет размеров наноструктуры).

Квантовые точки могли бы быть идеальны для самых разнообразных применений, где востребовано двухфотонное поглощение. И эта перспектива взволновала научные умы по всему миру. За последние 10 лет множество научных групп по всему миру пытались найти условия, обеспечивающие усиление двухфотонного поглощения при помощи квантовых точек. И многих ждало разочарование, когда недавние эксперименты показали, что эффект двухфотонного поглощения, фактически, уменьшается при увеличении влияния квантовых эффектов.

Но исследования совместной группы ученых из США и Канады дали этому направлению новую надежду. Они показали, что «правильным» подбором материала с определенными свойствами действительно можно добиться усиления двухфотонного поглощения. Результаты их работы подробно опубликованы в журнале Nano Letters.

Стоит отметить, что научная группа входила в число тех, кто на собственных экспериментах ранее убедился в том, что далеко не любые квантовые точки будут усиливать эффект двухфотонного поглощения. По их мнению, это связано с электронной структурой квантовой точки, в которой наблюдается достаточно низкая плотность состояний. Понимание этого процесса привело к тому, что ученые начали искать материал со строго определенными свойствами: с малой шириной запрещенной зоны, большим радиусом Бора и т.п., который, согласно расчетам, мог бы способствовать увеличению двухфотонного поглощения. Вычисления показали, что хорошим кандидатом могли бы стать квантовые точки из сульфида свинца; таким образом, ученые сосредоточились на изучении нелинейных свойств структур из этого материала.

Проведенные эксперименты открывают новый путь для применения полупроводниковых квантовых точек в таких областях, как оптические коммуникации и трехмерное отображение. Исследования показали, что флуоресценция, вызванная двухфотонным поглощением, позволит лучше строить трехмерные изображения материалов, чем обычное однофотонное поглощение, за счет того, что свет может проникать в материал гораздо глубже. Другое возможное применение – ультрабыстрые оптические переключатели, извлекающие пользу из того факта, что для двухфотонного поглощения велико отношение интенсивности к мощности падающего луча света. Ученые уже предлагают возможные схемы оптических предохранителей, пропускающих слабые лучи света и блокирующих мощное излучение, принцип действия которых основан на этом эффекте.