Forscher in den USA haben Nanopartikel geschaffen, die bei Raumtemperatur Pulse von superfluoreszierendem Licht emittieren. Ungewöhnlicherweise ist das emittierte Licht anti-Stokes-verschoben, was bedeutet, dass es eine kürzere Wellenlänge (und damit eine höhere Energie) hat als die Wellenlänge des Lichts, das die Reaktion auslöst – ein Phänomen, das als Upconversion bekannt ist. Die neuen Nanopartikel, die das Team bei der Suche nach einem anderen optischen Effekt entdeckte, könnten es ermöglichen, neue Arten von Zeitgebern, Sensoren und Transistoren in optischen Schaltkreisen herzustellen.
„Solch intensive und schnelle Emissionen sind perfekt für zahlreiche wegweisende Materialien und nanomedizinische Plattformen“, sagt Teamleiter Shuang Fang Lim of North Carolina State University erzählt Physik-Welt. „Zum Beispiel wurden hochkonvertierte Nanopartikel (UCNPs) in biologischen Anwendungen eingesetzt, die von Hintergrundrauschen-freier Biosensorik, präziser Nanomedizin und Tiefengewebe-Bildgebung bis hin zu Zellbiologie, visueller Physiologie und Optogenetik reichen.“
Abschirmung von Elektronenorbitalen
Superfluoreszenz tritt auf, wenn mehrere Atome innerhalb eines Materials gleichzeitig einen kurzen, intensiven Lichtstoß aussenden. Dieses quantenoptische Phänomen unterscheidet sich von isotroper spontaner Emission oder normaler Fluoreszenz, ist bei Raumtemperatur schwer zu erreichen und hält tendenziell nicht lange genug an, um nützlich zu sein. UCNPs sind jedoch anders, sagt Teammitglied Gang Han dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Chan Medical School der Universität von Massachusetts. „In einem UCNP wird das Licht von 4 emittiertf Elektronenübergänge, die durch höher liegende Elektronenorbitale geschützt sind, die als ‚Schild' wirken und Superfluoreszenz auch bei Raumtemperatur ermöglichen“, erklärt Han.
In der neuen Arbeit beobachtete das Team Superfluoreszenz in Ionen, die innerhalb eines einzelnen Nanopartikels aus mit Neodym-Ionen kompaktierten Lanthanoid-dotierten UCNPs miteinander koppeln. Im Gegensatz zur Superfluoreszenz in anderen Materialien wie hochgeordneten Perowskit-Nanokristallen oder Halbleiter-Quantenpunktanordnungen, die jedes Nanopartikel als Emitter verwenden, ist in Lanthanoid-dotierten UCNPs jedes Lanthanid-Ion in einem einzelnen Nanopartikel ein einzelner Emitter. „Dieser Emitter kann dann mit anderen Lanthanoid-Ionen interagieren, um Kohärenz herzustellen und Anti-Stokes-Shift-Superfluoreszenz sowohl in zufälligen Nanopartikelanordnungen als auch in einzelnen Nanokristallen zu ermöglichen, die mit einer Größe von nur 50 nm die kleinsten jemals hergestellten Superfluoreszenzmedien sind.“ Sagt Lim.
Synchronisation in einen kohäsiven makroskopischen Zustand
„Die Superfluoreszenz entsteht durch die makroskopische Koordination der Emissionsphasen der angeregten Ionen im Nanopartikel, nachdem die Anregungsenergie deponiert wurde“, ergänzt Teammitglied Kory Green. „Ein Laserpuls regt die Ionen innerhalb des Nanopartikels an und diese Zustände sind zunächst nicht kohärent organisiert.
„Damit Superfluoreszenz auftritt, muss sich dieser anfänglich unorganisierte Satz von Ionen vor der Emission in einen kohäsiven makroskopischen Zustand synchronisieren. Um diese Koordination zu erleichtern, müssen die Struktur des Nanokristalls und die Dichte der Neodym-Ionen sorgfältig ausgewählt werden.“
Hochkonvertierende Nanopartikel ermöglichen es Mäusen, im Infraroten zu sehen
Die Entdeckung, die das Team meldet Nature Photonics, wurde zufällig hergestellt, als Lim und Kollegen versuchten, Materialien herzustellen, die lasen – also Materialien, bei denen das von einem Atom emittierte Licht ein anderes dazu anregt, mehr vom gleichen Licht zu emittieren. Stattdessen beobachteten sie Superfluoreszenz, bei der sich die zunächst unsynchronisierten Atome ausrichten und dann gemeinsam Licht emittieren.
„Als wir das Material mit unterschiedlichen Laserintensitäten anregten, stellten wir fest, dass es bei jeder Anregung in regelmäßigen Abständen drei Superfluoreszenzpulse aussendet“, sagt Lim. „Und die Pulse verschlechtern sich nicht – jeder Puls ist 2 Nanosekunden lang. Das UCNP zeigt also nicht nur bei Raumtemperatur Superfluoreszenz, sondern auch auf kontrollierbare Weise. Das bedeutet, dass die Kristalle zum Beispiel als Zeitgeber, Neurosensoren oder optische Transistoren auf photonischen integrierten Schaltkreisen verwendet werden könnten.“
