最新Nat. Mater.：膠體量子點液體激光器

一、【科學背景】

膠體量子點（QDs），作為一種前沿的光學增益材料，正受到科學界的廣泛關注，被積極探索應用于液態激光器的開發中，這種激光器在功能上類似于染料激光器。盡管染料激光器在科研領域和診斷技術中展現出了其獨特價值，但其性能卻常常受限于非輻射三重態的干擾以及材料本身的降解問題。

相比之下，量子點在液態環境中生長，這一特性賦予了它們易于操控的優勢，同時也為解決傳統染料存在的穩定性挑戰提供了潛在途徑。然而，早期科學家們試圖利用普通量子點來實現激光發射的嘗試并未取得預期的成功。這一困境主要歸因于多載流子光學增益態內部發生的快速非輻射復合過程，這一過程極大地阻礙了激光的有效產生。

二、【創新成果】

美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Victor I. Klimov引領了一項開創性研究，展示了一種采用膠體量子點（QDs）溶液的創新型液態激光器。這項研究的核心在于，通過運用具備類似三激子的光學增益狀態的（I + II）型量子點，有效地克服了快速非輻射俄歇復合過程的能量損失難題。結合精密設計的Littrow光學腔，這些量子點在靜態溶液中展現出了穩定的激光發射特性，其波長調節范圍廣泛，覆蓋從634 nm至575 nm。這一突破性成果不僅證實了基于量子點的液態激光器在技術層面的可行性，而且展示了其卓越的光譜可調性能以及無需依賴傳統染料激光器所必需的復雜循環系統便能維持穩定運行的顯著優勢。相關研究成果已在權威科學期刊《Nature Materials》上發表，題為“Colloidal Quantum Dots Enable Tunable Liquid-State Lasers，”標志著量子點在激光技術領域應用的一個重要里程碑。

圖1.?普通雙激子與混合雙激子 ? 2024 Springer Nature Limited

圖2. (I + II)型量子點的結構和光學特性 ? 2024 Springer Nature Limited

圖3. (I + II)型量子點中的雙激子 ? 2024 Springer Nature Limited

圖4. (I + II)型量子點中的光學增益 ? 2024 Springer Nature Limited

圖5. (I + II)型量子點的液態激光發射 ? 2024 Springer Nature Limited

三、【科學啟迪】

該研究的成果明確指出，（I + II）型量子點（QDs）作為傳統激光染料的直接替代選項，蘊含著巨大的潛力。與當前基于染料的系統相較，它們不僅極大地簡化了激光器的結構設計，還顯著縮減了設備的物理占用空間，從而提升了系統的集成度和實際應用價值。這項研究不僅有力地證明了液態量子點激光器在技術實現上的可行性，更為激光技術的未來發展開辟了新的道路，提供了更為豐富的可能性。它不僅標志著量子點在激光技術領域的又一重要突破，也預示著激光技術在多個領域將迎來更加廣泛的應用前景。

原文信息：Hahm, D., Pinchetti, V., Livache, C. et al. Colloidal quantum dots enable tunable liquid-state lasers. Nat. Mater. (2024).

https://doi.org/10.1038/s41563-024-02048-y