Des chercheurs développent des boîtes quantiques dopées magnétiquement

Greg Bruno

Une équipe de scientifiques des matériaux de l’Université de l’Oklahoma a réalisé ce que beaucoup dans le domaine pensaient impossible : magnétiser des boîtes quantiques en les « dopant » avec du manganèse.

Les implications touchent tout, de la manière dont nous alimentons nos maisons à la façon dont nous construisons des ordinateurs, recherchons des maladies, cultivons des récoltes et éclairons notre monde.

« Il est étonnamment difficile d’intégrer le manganèse, un bon dopant magnétique, dans des nanoparticules de bromure de plomb et de césium », explique le professeur assistant Yitong Dong, qui décrit la découverte de son équipe dans le Journal of the American Chemical Society. Les nanoparticules de bromure de plomb et de césium (CsPbBr₃) sont un matériau cristallin de pérovskite utilisé dans diverses technologies commerciales et grand public.

« Notre article détaille une méthode pour le faire efficacement et de manière constante », poursuit Dong. « Nous avons dopé l’indopable. »

Cette percée intervient seulement deux ans après que le prix Nobel de chimie a été décerné pour la découverte des boîtes quantiques – des cristaux semi-conducteurs microscopiques de l’ordre du milliardième de mètre. Pour visualiser leur taille, la Fondation Nobel a noté que la différence entre une boîte quantique et un ballon de football est comparable à la différence entre un ballon de football et la Terre.

Malgré leur petite échelle, les boîtes quantiques sont des moteurs de l’innovation moderne. Leur couleur peut être ajustée en modifiant leur taille, ce qui en fait des composants vitaux dans les écrans de télévision, les moniteurs d’ordinateur et l’éclairage LED. Leur polyvalence en fait également des ingrédients essentiels dans les cellules solaires, l’imagerie biomédicale, la communication quantique et même l’informatique de nouvelle génération.

Le groupe de Dong travaille avec une classe de nanoparticules particulièrement prometteuse : les boîtes quantiques de pérovskite au bromure de plomb et de césium, connues pour leur émission lumineuse et leur fabrication à faible coût.

Les chercheurs ont longtemps cherché à incorporer du manganèse – un dopant optiquement et magnétiquement actif – dans les boîtes quantiques pour améliorer leur efficacité luminescente et leur utilité. Cependant, les méthodes précédentes de synthèse des boîtes quantiques rencontraient des difficultés à ajouter suffisamment de manganèse pour les rendre plus utiles en pratique. 

L’équipe de Dong a trouvé une solution de contournement en retirant les cations positifs sous forme de césium des boîtes quantiques et en créant un environnement de solution riche en bromure. Lorsqu’ils ont ajouté des cations de manganèse au processus, la croissance rapide des cristaux a été régulée et les boîtes quantiques ont pu absorber les cations magnétiques dans leur structure, déplaçant environ 40 % des ions de plomb.

« En substance, les cristaux ont avalé le manganèse, ce qui a permis un dopage réussi des boîtes quantiques avec des concentrations très élevées », précise Dong.

Les boîtes quantiques résultantes ont émis une lueur orange lorsqu’elles étaient excitées, passant du bleu avant le dopage. Typiquement, les boîtes quantiques changent de couleur lorsque leur taille change. Dans la recherche de Dong, cela a été introduit par une altération chimique. Les boîtes quantiques dopées au manganèse ont également brillé intensément, avec une efficacité proche de 100 %.

Avec un développement ultérieur de cette méthode, avance Dong, les avancées auraient plusieurs avantages pratiques. Les humains préfèrent la faible énergie de la lumière orange aux bleus à haute énergie, et de nombreuses cultures absorbent plus efficacement les teintes orange plus chaudes, ce qui rend les boîtes quantiques dopées au manganèse idéales pour un usage dans l’éclairage intérieur et agricole. Les propriétés optiques améliorées pourraient également augmenter l’efficacité des cellules solaires, ajoute-t-il.

À grande échelle, les boîtes quantiques produites par l’équipe de Dong seraient moins chères que les méthodes conventionnelles car elles n’ont pas besoin d’être recouvertes d’un autre matériau pour protéger leur surface.

Et ce n’est que le début.

Parce que les boîtes quantiques dopées au manganèse sont magnétiques, leur comportement pourrait ouvrir la porte à une nouvelle classe de technologies – de la spintronique à l’imagerie médicale améliorée.

Le potentiel s’étend aux ordinateurs quantiques. Les boîtes quantiques magnétiquement dopées pourraient servir de blocs de construction pour les qubits – manipulés avec de la lumière plutôt qu’avec de l’électricité – un avantage majeur, souligne Dong, puisque les boîtes quantiques sont plus stables sous excitation optique.

Dong a souligné que, malgré l’optimisme, des travaux supplémentaires sont nécessaires pour contrôler le dopage dans des boîtes quantiques de tailles variables et pour étudier les propriétés des ions manganèse dopés. Pourtant, il estime que cette découverte marque l’arrivée d’une nouvelle classe puissante de matériaux.

« Nous sommes tellement enthousiastes qu’une nouvelle famille de matériaux puisse rejoindre ce domaine », conclut Dong. « Ils sont bon marché, évolutifs et incroyablement efficaces sans ingénierie extensive. Avec le dopage, ils peuvent être encore plus polyvalents. »

Article : Efficient Mn2+ Doping in Non-Stoichiometric Cesium Lead Bromide Perovskite Quantum Dots – Journal : Journal of the American Chemical Society – DOI : 10.1021/jacs.5c12086

Source : Oklahoma U.