Investigadores estadounidenses han creado nanopartículas que emiten pulsos de luz superfluorescente a temperatura ambiente. Inusualmente, la luz emitida tiene un desplazamiento anti-Stokes, lo que significa que tiene una longitud de onda más corta (y, por lo tanto, una energía más alta) que la longitud de onda de la luz que inicia la respuesta, un fenómeno conocido como conversión ascendente. Las nuevas nanopartículas, que el equipo descubrió mientras buscaba un efecto óptico diferente, podrían permitir crear nuevos tipos de temporizadores, sensores y transistores en circuitos ópticos.
“Emisiones tan intensas y rápidas son perfectas para numerosos materiales pioneros y plataformas de nanomedicina”, líder del equipo shuang colmillo lim of Universidad Estatal de Carolina del Norte decirles Mundo de la física. “Por ejemplo, las nanopartículas convertidas (UCNP) se han empleado ampliamente en aplicaciones biológicas que van desde la biodetección sin ruido de fondo, la nanomedicina de precisión y la obtención de imágenes de tejidos profundos hasta la biología celular, la fisiología visual y la optogenética”.
Blindaje de orbitales de electrones
La superfluorescencia ocurre cuando múltiples átomos dentro de un material emiten simultáneamente un breve e intenso estallido de luz. Este fenómeno óptico-cuántico es distinto de la emisión espontánea isotrópica o de la fluorescencia normal, es difícil de lograr a temperatura ambiente y tiende a no durar lo suficiente como para ser útil. Los UCNP, sin embargo, son diferentes, dice un miembro del equipo cuadrilla han de las Escuela de Medicina Chan de la Universidad de Massachusetts. “En un UCNP, la luz se emite desde 4f transiciones de electrones que están protegidas por orbitales de electrones situados más arriba que actúan como un 'escudo', lo que permite la superfluorescencia incluso a temperatura ambiente”, explica Han.
En el nuevo trabajo, el equipo observó superfluorescencia en iones que se acoplan entre sí dentro de una sola nanopartícula de UCNP dopadas con lantánidos compactadas con iones de neodimio. A diferencia de la superfluorescencia en otros materiales, como los nanocristales de perovskita altamente ordenados o los conjuntos de puntos cuánticos semiconductores que usan cada nanopartícula como emisor, en las UCNP dopadas con lantánidos, cada ion lantánido en una sola nanopartícula es un emisor individual. “Este emisor puede interactuar con otros iones de lantánidos para establecer la coherencia y permitir la superfluorescencia anti-desplazamiento de Stokes tanto en ensamblajes aleatorios de nanopartículas como en nanocristales individuales, que con solo 50 nm de tamaño son los medios de superfluorescencia más pequeños jamás creados”. Lim dice.
Sincronización en un estado macroscópico cohesivo
“La superfluorescencia proviene de la coordinación macroscópica de las fases emisivas de los iones excitados en la nanopartícula después de que se deposita la energía de excitación”, añade Kory Green, miembro del equipo. “Un pulso láser excita los iones dentro de la nanopartícula y esos estados no están organizados coherentemente al principio.
“Para que ocurra la superfluorescencia, ese conjunto inicialmente desorganizado de iones tiene que sincronizarse en un estado macroscópico cohesivo antes de la emisión. Para facilitar esta coordinación, la estructura del nanocristal y la densidad de los iones de neodimio deben seleccionarse cuidadosamente”.
Las nanopartículas de conversión ascendente permiten a los ratones ver en infrarrojo
El descubrimiento, que el equipo informa en Nature Photonics, se hizo por casualidad mientras Lim y sus colegas intentaban crear materiales que emitieran láser, es decir, materiales en los que la luz emitida por un átomo estimula a otro a emitir más de la misma luz. En cambio, observaron la superfluorescencia, en la que los átomos inicialmente no sincronizados se alinean y luego emiten luz juntos.
“Cuando excitamos el material a diferentes intensidades de láser, descubrimos que emite tres pulsos de superfluorescencia a intervalos regulares para cada excitación”, dice Lim. “Y los pulsos no se degradan: cada pulso tiene una duración de 2 nanosegundos. Entonces, el UCNP no solo exhibe superfluorescencia a temperatura ambiente, sino que lo hace de una manera que puede controlarse. Esto significa que los cristales podrían usarse como temporizadores, neurosensores o transistores ópticos en circuitos fotónicos integrados, por ejemplo”.
