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Singly and Doubly Occupied Higher Quantum States in Nanocrystals

纳米晶 超顺磁性 抗磁性 量子点 电子 凝聚态物理 未成对电子 材料科学 化学 纳米技术 物理 磁化 磁场 量子力学
作者
Ju‐Yeon Jeong,Bitna Yoon,Young-Wan Kwon,Dongsun Choi,Kwang Seob Jeong
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:17 (2): 1187-1193 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.6b04915
摘要

Filling the lowest quantum state of the conduction band of colloidal nanocrystals with a single electron, which is analogous to the filling the lowest unoccupied molecular orbital in a molecule with a single electron, has attracted much attention due to the possibility of harnessing the electron spin for potential spin-based applications. The quantized energy levels of the artificial atom, in principle, make it possible for a nanocrystal to be filled with an electron if the Fermi-energy level is optimally tuned during the nanocrystal growth. Here, we report the singly occupied quantum state (SOQS) and doubly occupied quantum state (DOQS) of a colloidal nanocrystal in steady state under ambient conditions. The number of electrons occupying the lowest quantum state can be controlled to be zero, one (unpaired), and two (paired) depending on the nanocrystal growth time via changing the stoichiometry of the nanocrystal. Electron paramagnetic resonance spectroscopy proved the nanocrystals with single electron to show superparamagnetic behavior, which is a direct evidence of the SOQS, whereas the DOQS of the two- or zero-electron occupied nanocrystals in the 1Se exhibit diamagnetic behavior. In combination with the superconducting quantum interference device measurement, it turns out that the SOQS of the HgSe colloidal quantum dots has superparamagnetic property. The appearance and change of the steady-state mid-IR intraband absorption spectrum reflect the sequential occupation of the 1Se state with electrons. The magnetic property of the colloidal quantum dot, initially determined by the chemical synthesis, can be tuned from diamagnetic to superparamagnetic and vice versa by varying the number of electrons through postchemical treatment. The switchable magnetic property will be very useful for further applications such as colloidal nanocrystal based spintronics, nonvolatile memory, infrared optoelectronics, catalyst, imaging, and quantum computing.

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