Kvantprickar lyser upp våra vardagsrum

Kvantprickar är små kristaller av halvledande material som bara är några nanometer i diameter. I den här nanovärlden får materialet unika egenskaper som beror på kvantmekaniska fenomen. Bara genom att ändra storleken på kvantprickarna ändrar de färg när de träffas av uv-ljus. Större kvantprickar lyser intensivt i rött medan mindre lyser i blått.

Detta utnyttjas för att ge klarare färger i tv- och bildskärmar av typen QLED där q står för quantum dot, det engelska ordet för kvantprick. Men att dessa små lysande kristaller skulle leta sig in i våra vardagsrum var långt ifrån självklart.

– Länge trodde man inte att det skulle gå att tillverka så små partiklar, säger Johan Åqvist, ordförande för Nobelkommittén i kemi.

Teorin var känd redan på 1930-talet men det var först i början av 1980-talet som två av pristagarna, oberoende av varandra, lyckades skapa två olika typer av kvantprickar, även om de ännu inte kallades så.

Alexej Ekimov var verksam vid ett forskningsinstitut i dåvarande Sovjetunionen och skapade partiklar av koppark­lorid i glas. Inspiration hämtades från glasmästare som tillverkat färgat glas sedan medeltiden, utan kunskap om vare sig kvantmekanik eller kvantprickar. I en publikation från 1981 visade han att färgen på glaset kunde kopplas till storleken på partiklarna.

Vid samma tid arbetade Louis Brus vid Bell Laboratories i USA med att skapa nanopartiklar av kadmium­sulfid. Hans mål var att använda dessa för att fånga in solljus och använda solenergin för att driva kemiska reaktioner. Även han upptäckte att partiklarna ändrade sina optiska egenskaper beroende på storlek. Resultaten publicerades 1983.

Färgskiftet beror på att de optiska egenskaperna styrs av materialets elektroner, som får mindre svängrum när kvantprickarna blir mindre. Bo Albinsson, professor i fysikalisk kemi vid Chalmers tekniska högskola jämför med en gitarrsträng.

– En kortare sträng får en högre frekvens och en högre ton. Enligt samma princip får elektronerna mindre plats i en liten partikel och då ökar frekvensen och energinivån.

Men det är inte bara de optiska och elektriska egenskaperna som förändras. Även materialets termiska och magnetiska egenskaper hänger ihop med storleken, liksom förmågan att påverka andra material. Enligt Nobelkommittéen kan man därför beteckna kvantprickar som en helt ny klass av material.

Till skillnad från Alexej Ekimov skapade Louis Brus sina partiklar kemiskt i en lösning, vilket öppnade för att de skulle kunna komma till praktisk användning. Problemet var att partiklarna varierade i storlek och var av dålig kvalitet.

Det problemet löste den tredje pristagaren, Moungi Bawendi vid Massachusetts institute of technology, MIT, i USA.

Han arbetade till en början tillsammans med Louis Brus vid Bell Labs med att förbättra processen. Forskningen fortsatte vid MIT och 1993 kunde han presentera ett recept som gjorde det möjligt att styra storleken på partiklarna. Hemligheten var att använda ett upphettat, noga valt lösningsmedel. De ämnen som ska bilda kvantprickarna sprutas in i kärlet med lösningsmedlet och genom att variera temperaturen kunde tillväxten styras exakt.

– Med åren har det skett förbättringar men i princip använder vi samma metod i dag när vi gör kvantprickar på labbet, säger Bo Albinsson.

När det plötsligt gick att tillverka kvantprickar av hög kvalitet i stor skala tog utvecklingen fart på allvar. Nobelpristagarnas kvantprickar lyser inte bara upp bildskärmar, utan sitter även i lampor och har också blivit ett viktigt hjälpmedel inom biokemi för att kartlägga olika vävnader. Kvantprickar kopplas då till biomolekyler i en viss vävnadstyp som därmed lyser upp i en viss färg. Genom att kombinera flera olika kvantprickar som lyser i olika färger kan flera vävnader följas samtidigt.

En utmaning för användning i kroppen är att vissa kvantprickar innehåller giftiga tungmetaller, till exempel bly. Mycket forskning pågår därför för att ersätta dessa ämnen, inte bara för medicinsk användning.

– Vi jobbar mycket med att hitta blyfria alternativ, säger Erik Johansson, professor i fysikalisk kemi vid Uppsala universitet, som utvecklar solceller med kvantprickar.

Genom att kombinera ett lager med kvantprickar som absorberar blått ljus med ett annat lager som absorberar rött ljus kan en större del av solljusets spektrum fångas på ett effektivt sätt, förklarar han.

Kvantprickar utforskas också för att användas i elektronik och i sensorer. Forskning pågår även för att förverkliga Louis Brus dröm om att använda dem för att driva kemiska reaktioner med solljus.

Vid en digital presskonferens vid MIT berättar Moungi Bawendi att han aldrig hade kunnat ana att kvantprickarna han skapade på labbet för 30 år sedan skulle få så många tillämpningsområden. Det han själv tycker är mest spännande är hur kvantprickarna kan användas inom kvantteknik.

– Vi intresserar oss nu för möjligheten att använda de här materialen inom kvantoptik och för kvantkommunikation, något jag inte trodde skulle vara möjligt för fem år sedan, säger han till Forskning & Framsteg.

Enstaka fotoner skapade av kvantprickar kan till exempel användas för att skapa avlyssningssäker kommunikation med hjälp av fenomenet sammanflätning som belönades med fysikpriset 2022. Kvantprickar kan även komma till användning i framtida kvantdatorer.