The 2023 Nobel Prize in Chemistry: Quantum Dots
In this piece, which is written in Norwegian, Sølve Selstø gives a brief explanation of last year’s Nobel Prize in chemistry. It certainly falls within the quantum scope. The piece was published in last year’s last issue of Fra fysikkens verden, which is published by Norsk fysisk selskap.
Nobelprisen i kjemi 2023 er delt likt mellom dei tre forskarane:
- Moungi Bawendi Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA
- Louis Brus Columbia University, New York, NY, USA
- Alexei Ekimov Nanocrystals Technology Inc., New York, NY, USA
for «oppdainga og syntetiseringa av kvanteprikkar (engelsk: quantum dots).».
Som mange veit, fekk Marie Skłodowska-Curie nobelprisen i både kjemi og fysikk. Då «vår eigen» Lars Onsager fekk ein hyggeleg telefon med invitasjon til Stockholm, var det ikkje straks opplagt for han om det var for å ta imot fysikk-eller kjemiprisen. Det var kjemiprisen. Også i år er nobelprisen i kjemi ei stadfesting av overlappet mellom dei to fagfelta.
Det heile begynte på tidleg 1980-talet – då både Yekimov og Brus, uavhengig av kvarandre, lukkast i lage nano-krystall med ein eigenskap dei kalla quantum size effect – kvante-eigenskaper som var bestemt av storleiken på krystalla. Når ein sendte lys på dei, oppdaga dei høg absorbering for spesifikke bølgelengder – bølgelengder som viste seg å auke med storleiken på nano-krystalla. Eit tiår seinare klarte Bawendi å finne ein svært presis og effektiv metode for å kontrollere storleiken på slike krystall. Det gjorde han mellom anna ved å justere temperaturen på væska dei blei danna i.
Det hadde lenge vore kjent at ulike stoff, atom og molekyl, kan identifiserast ut frå korleis dei responderer på ulike bølgelengder når ein sender lys på dei. Dette kallar vi spektroskopi; eit atom, for eksempel, absorberer foton med bølgelengder som samsvarar med energidifferensen mellom to kvante-tilstandar. Alternativt, ved å sørge for at mange av atoma i ein gass blir eksitert, at elektron går til ein høgare energi-tilstand, vil ein etterpå kunne observere utsendt lys med heilt spesifikke bølgelengder når atomet spontant går tilbake til grunnstilstanden sin.
Dette er altså ein direkte konsekvens av kvantisering – det at dei moglege energiane for eit bunde, mikroskopisk system er avgrensa til eit diskret sett.Eit atom får sitt eige, spesielle «fingeravtrykk» av moglege bølgelengder når det absorberer eller emitterer lys. Det gjer oss i stand til å identifisere ukjend stoff – ikkje berre i eit laboratorium, men til og med på fjerne stjerner.
Det er mykje det same vi ser med nano-krystalla til Wavendi, Brus og Yekimov. Slike krystall er eksempel på det vi kallar kvanteprikkar – halvleiarstrukturar som evnar å fange inn nokre få elektron i eit område så lite at dei følger kvantefysiske lover. Slike kvanteprikkar har det til felles med atom at energien til elektrona er kvantisert. Dette er hovudgrunnen til at kvanteprikkar ofte blir kalla kunstige atom.
Men mykje er også ulikt om vi samanliknar atom og kvanteprikkar. Sistnemnde er større; mens eit atom er nokre tidels nanometer store, er kvanteprikkar typisk fleire nanometer eller nokre titals nanometer i utstrekning. Men den viktigaste forskjellen er nok denne: Der energinivåa, strukturen, til atom er prisgitt naturkonstantar som elementærladninga, Planck-konstanten og elektronmassen, kan strukturen til kvanteprikkane justerast. Vi kan langt på veg konstruere dei slik at dei har dei spektroskopiske eigenskapane vi ønsker!
Nobelprisvinnarane har klart og tydeleg demonstrert korleis dette kan gjerast ved å justere storleiken på kvanteprikkane. For nano-krystall som sender ut lys i den synlege delen av det elektromagnetiske spektrumet når dei går over til ein lågare energitilstand, vil ein relativt stor krystall sende raudt lys, mens bølgelengda vil bevege seg mot den lilla delen av spektrumet når kvanteprikken blir mindre.
Men storleiken er ikkje det einaste som tel. Fasongen påverkar også spektrumet. Og det spelar ei rolle kva kvanteprikken er laga av; typisk er det snakk om ein halvleiar-krystall beståande av to grunnstoff. Kvanteprikkane til nobelprisvinnarane blei konstruerte ved å la små krystallar gro i glas eller i ei væske. Frie enkelt-elektron kan også fangast inn i fastestoff-strukturar sett saman av ulike typar halvleiarar. Her blir fleire ulike geometriar og teknikkar brukte. Ein kan også bruke statiske elektriske felt til å fange inn elektron i slike samansette halvleiarar-strukturar. Slike kvanteprikkar er spesielt fleksible sidan ein, ved å justere den elektriske spenninga, kan endre den romlege avgrensinga. På den måten endrar ein også energi-strukturen til det kvantiserte systemet. I tillegg kan ein manipulere systemet ved å legge på fleire felt, både magnetiske og elektriske, statiske og dynamiske.
Uansett korleis ein gjer det, er det gull verd at vi er i stand til å justere på energinivåa til kvanteprikkane – ikkje berre frå eit vitskapleg perspektiv, men også teknologisk. Sidan ein kan finjustere kva farge kvanteprikkane kan sende ut, kan dei for eksempel brukast til å gjere LED-lys betre, noko ein alt har tatt i bruk for å lage TV-skjermar. Men dette er ikkje i nærleiken av dei mest spanande bruksområda. Kvanteprikkar kan brukast til å gjere fleire faststoff-applikasjonar betre. Dei blir brukt til å lage singel-elektron transistorar. Og ein håpar å kunne bruke dei til å produsere solceller med langt høgare verknadsgrad enn tradisjonelle solceller.
Ved å sørge for at væsker med kvanteprikkar festar seg til spesielt vev, som for eksempel ein svulst, kan kirurgar få svært gode bilde av vevet dei skal operere i – eller fjerne.
Kvanteprikkar er også kandidatar til å lage kvante-bits, qubits. Enkelt-elektron i ein kvanteprikk kan styrast mellom ulike kvantetilstandar på ein kontrollert måte. Ved å sette fleire slike kontrollerbare kvantesystem saman kan ein lage ein kvantedatamaskin. Håpar vi.
Potensialet er stort! Bawendi, Brus og Yekimov har vore med å opne døra til eit spanande rom. Vi har tatt steget over dørstokken, det skal bli spanande å sjå kva meir vi finn der inne.
Referansar
- Pressemeldinga frå Nobel-komiteen: The Nobel Prize in Chemistry 2023
- A.I. Ekimov og A.A. Onushchenko. «Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystal.» JETP Letters 34, 345 (1981).
- R. Rossetti, S. Nakahara og L.E. Brus. «Quantum size effects in the redox potentials, resonance Raman spectra, and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solutio.» Journal of Chemical Physics 79, 1086 (1983).
- S.M. Reimann og M. Manninen. «Electronic structure of quantum dot.» Review of Modern Physics 74, 1283 (2002).
- ScienceNews: «The development of quantum dots wins the 2023 Nobel prize in chemistry»
- Wikipedia: «Quantum dot»
- Forskning.no: «Nanoteknologi som oppgraderte TV-skjermen, hedres med Nobelprisen i kjemi»
