Квантовое ограничение — это физический эффект, который возникает, когда размер материала (обычно полупроводника или проводника) уменьшается до наномасштаба, ограничивая тем самым движение электронов или дырок.
Это полезно, поскольку ограничение электронов в очень маленьких пространствах приводит к тому, что их энергетические уровни становятся дискретными, а не непрерывными, изменяя электронные и оптические свойства материала.
Например, характеристики фотолюминесценции (ФЛ) полупроводников можно улучшить, уменьшив их размер или эффективную длину сопряжения — расстояние, на котором π-электроны могут свободно перемещаться через систему одинарных и двойных связей, — до формирования квантовых точек. Эти точки, такие как графен, углеродные и полимерные квантовые точки, демонстрируют эффект квантового ограничения.
Хотя квантовое ограничение уже давно достигается путём уменьшения физического размера материалов, китайские исследователи впервые продемонстрировали это явление, модулируя радиус экситона — связанной квазичастицы электрон-дырка — без уменьшения самого материала.
Это достижение, [отчёт о котором опубликован](https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(25)00320-0) в Cell Reports Physical Science, впервые демонстрирует, что квантовое ограничение может быть достигнуто без физического уменьшения размеров.
Для этого команда под руководством профессора ДОУ Синцуна в Синьцзянском техническом институте физики и химии Китайской академии наук синтезировала новый ковалентный органический каркас (КОВ) — кристаллический материал, состоящий из лёгкого элемента, такого как углерод, водород, азот или кислород, который можно настроить на молекулярном уровне.
Используя новый КОВ, получивший название транс-1,4-диаминоциклогексан (tDACH), исследователи ввели линкеры на основе циклогексана в качестве точек сопряжения, тем самым создав π-сопряжённые домены, которые обеспечивают внутреннее ограничение экситонов на молекулярном уровне.
Новый КОВ продемонстрировал исключительные характеристики ФЛ с квантовым выходом ФЛ 73%, что превосходит все ранее описанные КОВ на основе иминов.
Анализ показал, что tDACH-КОВ не имеет дальнего π-сопряжения, что эффективно ограничивает диффузию и миграцию экситонов. Экситоны остаются локализованными в строительных блоках материала и рекомбинируют излучательно, что приводит к высокой эффективности ФЛ. Это подтверждает, что квантовое ограничение действительно имело место в КОВ без необходимости физического уменьшения размеров.
Используя эти уникальные свойства, команда разработала tDACH-КОВ в качестве ФЛ-зонда, способного обнаруживать имитаторы нервно-паралитических веществ на уровне частей на миллиард. Это применение основано на эффективном тушении ФЛ, запускаемом протонированием имина. Исследования с помощью транзиентной спектроскопии показали, что протонирование имина нарушает внутреннее квантовое ограничение, что приводит к значительному тушению ФЛ.
Результаты устраняют критический разрыв между КОВами и коммерческими ФЛ-материалами, открывая путь для использования КОВ в осветительных устройствах, оптоэлектронном оборудовании и химических датчиках.
Предоставлено [Китайской академией наук](https://phys.org/partners/chinese-academy-of-sciences/)