دانشمندان نشان دادند که می‌توان از نقاط کوانتومی برای کنترل واکنش‌های فوتوشیمیایی استفاده کرد. آن‌ها ساختاری ایجاد کردند که برای ادغام علوم کوانتومی مولکولی نوظهور با پلتفرم‌های کوانتومی حالت جامد قابل استفاده است.
کنترل واکنش‌های فوتوشیمیایی با نقاط کوانتومی امکان‌پذیر است
نقاط کوانتومی کلوئیدی (QDs) پلتفرم منحصربه‌فردی برای بررسی اثرات کوانتومی در اختیار دانشمندان قرار می‌دهند. این نقاط کوانتومی ترکیبی از همدوسی کوانتومی اسپین در دمای اتاق و عملکرد فوتوشیمیایی هستند. در مقاله‌ای که در مجله Nature Materials منتشر شده، محققان نشان دادند که جفت‌های رادیکال هیبریدی که اتصال نقاط کوانتومی و مولکول‌های متصل به سطح ساخته‌شده‌اند، می‌توانند کنترل کوانتومی بر واکنش‌های فوتوشیمیایی ایجاد کرده و این کار با حضور میدان مغناطیسی قابل تنظیم در میدان ۱.۹ تسلا تا ۴۰۰٪ به دست آمده است.
این یافته‌ها نشان می‌دهند که جفت‌های رادیکال هیبریدی مبتنی بر نقاط کوانتومی می‌توانند علوم کوانتومی مولکولی و پلتفرم‌های حالت جامد را به هم پیوند دهند و به پیشرفت فناوری‌های کوانتومی و اپتوالکترونیک کمک کنند.
نقاط کوانتومی کلوئیدی به‌دلیل رنگ‌های وابسته به اندازه‌شان، اثر محدودیت کوانتومی را به خوبی نمایش می‌دهند. در سال‌های اخیر، اثرات کوانتومی عجیب‌تری مانند گسیل تک‌فوتونی، همدوسی اسپین و همدوسی اگزیتون در این نقاط کوانتومی مشاهده شده است. مزیت این نقاط کوانتومی در مقایسه با سایر پلتفرهای کوانتومی حالت جامد این است که می‌توان آن‌ها را مانند مولکول‌ها در محلول دستکاری کرد و سطح آن‌ها را با مولکول‌های آلی برای انجام فرآیندهای فوتوشیمیایی مختلف اصلاح کرد.
توانایی همزمان نقاط کوانتومی کلوئیدی در حفظ همدوسی کوانتومی اسپین در دمای اتاق و مشارکت در فرآیندهای فوتوشیمی، پروفسور وو کایفنگ و تیمش را از موسسه شیمی فیزیک دالیان آکادمی علوم چین بر آن داشت تا زمینه‌ای میان‌رشته‌ای را بررسی کنند: استفاده از همدوسی کوانتومی نقاط کوانتومی برای کنترل واکنش‌های فوتوشیمیایی.
این ایده ارتباط نزدیکی با یک مثال جذاب از زیست‌شناسی کوانتومی دارد، جایی که تصور می‌شود پرندگان مهاجر از میدان مغناطیسی زمین برای مدوله‌سازی همدوسی نوترکیب اسپین-تریپلت جفت‌های رادیکال فوتوژنیک استفاده می‌کنند و سپس یک آبشار سیگنالینگ حسی برای ناوبری ایجاد می‌کنند.
در این مطالعه، تیم پروفسور وو جفت‌های رادیکال هیبریدی ساخته‌شده از نقاط کوانتومی کلوئیدی و مولکول‌های متصل به سطح آن‌ها را گزارش کردند و مزیت کوانتومی منحصربه‌فرد این جفت‌های رادیکال هیبریدی در کنترل همدوسی کوانتومی فوتوشیمیایی تریپلت را نشان دادند.
برخلاف جفت‌های رادیکال آلی خالص، جفت‌های رادیکال هیبریدی، همراه با کوپلینگ تبادلی قوی ناشی از محدودیت کوانتومی نقاط کوانتومی، امکان مشاهده مستقیم ضربان‌های کوانتومی اسپین جفت‌های رادیکال را فراهم کرده که معمولاً در مطالعات قبلی قابل مشاهده نبودند.
با استفاده از این ضربان‌های کوانتومی سریع، محققان کنترل قوی میدان مغناطیسی بر دینامیک بازترکیب تریپلت را نشان دادند، که سطح مدولاسیون بازده تریپلت به ۴۰۰٪ در میدان ۱.۹ تسلا رسید. علاوه بر این، اثر میدان مغناطیسی به راحتی از طریق اندازه و ترکیب نقاط کوانتومی قابل تنظیم بود، که این یک مزیت بی‌نظیر نسبت به جفت‌های رادیکال آلی خالص قبلی است.
پروفسور وو گفت: «جفت‌های رادیکال هیبریدی نقاط کوانتومی-مولکولی و اثر میدان مغناطیسی قوی و قابل تنظیم گزارش‌شده در این مطالعه، کنترل اسپین بر اپتوالکترونیک مولکولی و هیبریدی معدنی/آلی را از طریق اصول فیزیک اسپین نیمه‌هادی به شدت بهبود می‌بخشد.»
او افزود: «جفت‌های رادیکال هیبریدی ممکن است ماده‌ای منحصربه‌فرد برای ادغام علوم کوانتومی مولکولی نوظهور با پلتفرم‌های کوانتومی حالت جامد فراهم کنند تا بسیاری از فناوری‌های نوین اطلاعات کوانتومی را ممکن سازند.»
