Forskere i USA har skabt nanopartikler, der udsender pulser af superfluorescerende lys ved stuetemperatur. Usædvanligt er det udsendte lys anti-Stokes-forskudt, hvilket betyder, at det har en kortere bølgelængde (og dermed en højere energi) end den bølgelængde af lys, der initierer responsen - et fænomen kendt som opkonvertering. De nye nanopartikler, som holdet opdagede, mens de ledte efter en anden optisk effekt, kunne gøre det muligt at skabe nye typer timere, sensorer og transistorer i optiske kredsløb.
"Sådan intense og hurtige emissioner er perfekte til adskillige banebrydende materialer og nanomedicinske platforme," teamleder Shuang Fang Lim of North Carolina State University fortæller Fysik verden. "For eksempel er opkonverterede nanopartikler (UCNP'er) blevet brugt bredt i biologiske applikationer lige fra baggrundsstøjfri biosensing, præcision nanomedicin og dybvævsbilleddannelse til cellebiologi, visuel fysiologi og optogenetik."
Afskærmende elektronorbitaler
Superfluorescens opstår, når flere atomer i et materiale samtidigt udsender et kort, intenst lysudbrud. Dette kvanteoptiske fænomen er forskelligt fra isotrop spontan emission eller normal fluorescens, er vanskeligt at opnå ved stuetemperatur og har en tendens til ikke at vare længe nok til at være nyttigt. UCNP'er er dog forskellige, siger teammedlem Gang Han af University of Massachusetts Chan Medical School. "I en UCNP udsendes lyset fra 4f elektronovergange, der er beskyttet af højereliggende elektronorbitaler, der fungerer som et 'skjold', hvilket giver mulighed for superfluorescens selv ved stuetemperatur,” forklarer Han.
I det nye arbejde observerede holdet superfluorescens i ioner, der kobler sammen inden for en enkelt nanopartikel af neodym-ion-komprimerede lanthanid-dopede UCNP'er. I modsætning til superfluorescens i andre materialer, såsom højt ordnede perovskit-nanokrystaller eller halvlederkvanteprikkersamlinger, der bruger hver nanopartikel som en emitter, i lanthanid-dopede UCNP'er, er hver lanthanidion i en enkelt nanopartikel en individuel emitter. "Denne emitter kan derefter interagere med andre lanthanidioner for at etablere kohærens og give mulighed for anti-Stokes-shift superfluorescens i både tilfældige nanopartikelsamlinger og i enkelte nanokrystaller, som ved kun 50 nm i størrelse er det mindste superfluorescensmedie nogensinde skabt," siger Lim.
Synkronisering til en sammenhængende makroskopisk tilstand
"Superfluorescensen kommer fra den makroskopiske koordinering af de emissive faser af de exciterede ioner i nanopartiklerne, efter at excitationsenergien er aflejret," tilføjer teammedlem Kory Green. "En laserpuls exciterer ionerne i nanopartiklerne, og disse tilstande er ikke sammenhængende organiseret i starten.
"For at superfluorescens kan forekomme, skal det oprindeligt uorganiserede sæt af ioner synkroniseres til en sammenhængende makroskopisk tilstand før emission. For at lette denne koordinering skal strukturen af nanokrystallen og tætheden af neodymionerne vælges omhyggeligt."
Opkonverterende nanopartikler tillader mus at se i infrarødt
Opdagelsen, som holdet rapporterer i Nature Photonics, blev lavet ved et tilfælde, mens Lim og kolleger forsøgte at lave materialer, der laser - det vil sige materialer, hvor lys udsendt af et atom stimulerer et andet til at udsende mere af det samme lys. I stedet observerede de superfluorescens, hvor de oprindeligt usynkroniserede atomer justerer sig og derefter udsender lys sammen.
"Da vi exciterede materialet ved forskellige laserintensiteter, fandt vi ud af, at det udsender tre pulser af superfluorescens med regelmæssige intervaller for hver excitation," siger Lim. “Og pulserne nedbrydes ikke – hver puls er 2 nanosekunder lang. Så ikke kun udviser UCNP superfluorescens ved stuetemperatur, det gør det på en måde, der kan kontrolleres. Det betyder, at krystallerne kan bruges som timere, neurosensorer eller optiske transistorer på fotoniske integrerede kredsløb, for eksempel."
