這一突破有望改進(jìn)太陽(yáng)能技術(shù)、實(shí)現(xiàn)光學(xué)量子比特，并助力構(gòu)建更先進(jìn)的農(nóng)業(yè)照明系統(tǒng)。

俄克拉荷馬大學(xué)研究人員的重大突破，可能很快為量子點(diǎn)在照明、計(jì)算和醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域開啟新的可能性。該團(tuán)隊(duì)通過將錳元素成功融入量子點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)這種微小半導(dǎo)體晶體的磁化——此前業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為該方法難以實(shí)現(xiàn)。

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了鈣鈦礦納米材料的新分支，標(biāo)志著量子點(diǎn)功能設(shè)計(jì)的重大轉(zhuǎn)向。

突破“不可摻雜”壁壘

研究聚焦于溴化銫鉛納米顆粒。這類材料已應(yīng)用于顯示器、LED照明及實(shí)驗(yàn)性能源系統(tǒng)?！皩?yōu)質(zhì)磁性摻雜劑錳元素融入溴化銫鉛納米顆粒異常困難，”助理教授董一潼解釋道，“我們的論文詳述了高效穩(wěn)定的摻雜方法，可謂突破了‘不可摻雜’的局限?！?/p>

量子點(diǎn)的尺寸決定其發(fā)光顏色，這種可調(diào)色特性使其在太陽(yáng)能電池、醫(yī)學(xué)成像、通信系統(tǒng)和現(xiàn)代電子設(shè)備中極具價(jià)值。多年來，研究者因其光學(xué)與磁學(xué)特性嘗試將錳元素融入量子點(diǎn)，但先前嘗試僅能添加微量元素，始終未達(dá)實(shí)用水平。

董教授團(tuán)隊(duì)通過移除部分帶正電的銫離子并構(gòu)建富溴化學(xué)環(huán)境，成功找到解決方案。當(dāng)錳離子引入后，量子點(diǎn)可吸收錳元素并替代近40%的鉛原子。改變?nèi)庋劭梢姡簱诫s前的量子點(diǎn)發(fā)藍(lán)光，摻雜后則以近乎完美的效率發(fā)射暖橙色光。

董教授指出，大多數(shù)量子點(diǎn)通過改變物理尺寸來轉(zhuǎn)換顏色，而這次的顏色變化完全來自化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變。“本質(zhì)上，晶體‘吞噬’了錳元素，從而實(shí)現(xiàn)了超高濃度的成功摻雜。”

應(yīng)用前景廣闊

這項(xiàng)突破可能影響多個(gè)產(chǎn)業(yè)：橙色光更護(hù)眼，且因多數(shù)植物能更有效吸收暖色光，特別適合室內(nèi)農(nóng)業(yè)種植；改進(jìn)的光學(xué)特性還能提升太陽(yáng)能電池效率。

研究團(tuán)隊(duì)表示，這類量子點(diǎn)無需額外保護(hù)涂層，有望降低生產(chǎn)成本。錳元素賦予的磁性則為醫(yī)療掃描、自旋電子學(xué)及新型通信技術(shù)開辟道路。量子計(jì)算可能是最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域——摻雜量子點(diǎn)可作為光學(xué)量子比特，通過光控而非電控來減少干擾、提升穩(wěn)定性。

董教授表示仍需進(jìn)一步研究，以控制不同粒徑的摻雜水平，并探究錳離子在晶體結(jié)構(gòu)中的行為機(jī)制?！斑@類新材料能進(jìn)入該領(lǐng)域令人振奮，”他總結(jié)道，“它們成本低廉、可規(guī)?；a(chǎn)，無需復(fù)雜工程處理就能實(shí)現(xiàn)驚人效率。通過摻雜技術(shù)，其應(yīng)用將更加廣泛?！?/p>

該研究成果已發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》。

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