Yhdysvaltalaiset tutkijat ovat luoneet nanopartikkeleita, jotka säteilevät superfluoresoivaa valoa huoneenlämpötilassa. Epätavallista on, että säteilevä valo on Stokes-siirtymää vastaan, mikä tarkoittaa, että sillä on lyhyempi aallonpituus (ja siten suurempi energia) kuin vasteen käynnistävän valon aallonpituus – ilmiö tunnetaan ylöskonversiona. Uudet nanohiukkaset, jotka tiimi löysi etsiessään erilaista optista vaikutusta, voisivat mahdollistaa uudentyyppisten ajastimien, anturien ja transistoreiden luomisen optisiin piireihin.
"Näin voimakkaat ja nopeat päästöt sopivat täydellisesti lukuisiin uraauurtaviin materiaaleihin ja nanolääketieteen alustoihin", tiiminvetäjä Shuang Fang Lim of North Carolina State University kertoo Fysiikan maailma. "Esimerkiksi upconverted nanopartikkeleita (UCNP) on käytetty laajalti biologisissa sovelluksissa taustameluttomasta biosensoinnista, tarkasta nanolääketieteestä ja syväkudoskuvauksesta solubiologiaan, visuaaliseen fysiologiaan ja optogenetiikkaan."
Suojaavat elektroniradat
Superfluoresenssi tapahtuu, kun useat materiaalin atomit lähettävät samanaikaisesti lyhyen, voimakkaan valopurskeen. Tämä kvanttioptinen ilmiö eroaa isotrooppisesta spontaanista emissiosta tai normaalista fluoresenssista, sitä on vaikea saavuttaa huoneenlämpötilassa ja se ei yleensä kestä tarpeeksi kauan ollakseen hyödyllinen. UCNP:t ovat kuitenkin erilaisia, tiimin jäsen sanoo Gang Han että Massachusettsin yliopiston Chan Medical School. "UCNP:ssä valo säteilee 4:stäf elektronisiirrot, joita suojaavat korkeammalla sijaitsevat elektroniradat, jotka toimivat "suojana", mikä mahdollistaa superfluoresenssin jopa huoneenlämpötilassa", Han selittää.
Uudessa työssä ryhmä havaitsi superfluoresenssia ioneissa, jotka liittyvät toisiinsa yhdessä neodyymi-ionilla tiivistetyn lantanidi-seostetun UCNP:n nanopartikkelin sisällä. Toisin kuin superfluoresenssi muissa materiaaleissa, kuten erittäin järjestetyissä perovskiitin nanokiteissä tai puolijohteiden kvanttipistekokoonpanoissa, jotka käyttävät kutakin nanopartikkelia emitterina, lantanidilla seostetuissa UCNP:issä jokainen lantanidi-ioni yhdessä nanopartikkelissa on yksittäinen emitteri. "Tämä emitteri voi sitten olla vuorovaikutuksessa muiden lantanidi-ionien kanssa koherentin luomiseksi ja Stokes-siirtymistä estävän superfluoresenssin mahdollistamiseksi sekä satunnaisissa nanohiukkaskokoonpanoissa että yksittäisissä nanokiteissä, jotka ovat vain 50 nm:n kokoisina pienin koskaan luotu superfluoresenssimedia." Lim sanoo.
Synkronointi koheesiiviseen makroskooppiseen tilaan
"Superfluoresenssi tulee nanohiukkasten virittyneiden ionien emissiivisten vaiheiden makroskooppisesta koordinoinnista sen jälkeen, kun viritysenergia on kerrostunut", lisää tiimin jäsen Kory Green. "Laserpulssi kiihottaa nanohiukkasten sisällä olevia ioneja, eivätkä ne tilat ole ensin organisoituneet koherentisti.
"Jotta superfluoresenssi tapahtuu, tuon alun perin hajaantuneen ionijoukon on synkronoitava yhtenäiseen makroskooppiseen tilaan ennen emissiota. Tämän koordinoinnin helpottamiseksi nanokiteen rakenne ja neodyymi-ionien tiheys on valittava huolellisesti.
Ylösmuuntuvat nanohiukkaset mahdollistavat hiiren näkemisen infrapunasauna
Löytö, josta tiimi raportoi Luonto Fotoniikka, tehtiin sattumalta, kun Lim ja kollegat yrittivät valmistaa materiaaleja, jotka laserit – eli materiaaleja, joissa yhden atomin lähettämä valo stimuloi toista säteilemään enemmän samaa valoa. Sen sijaan he havaitsivat superfluoresenssia, jossa alun perin synkronoimattomat atomit asettuvat kohdakkain ja sitten säteilevät valoa yhdessä.
"Kun viritimme materiaalia eri laserintensiteetillä, havaitsimme, että se lähettää kolme superfluoresenssipulssia säännöllisin väliajoin jokaista viritystä kohden", Lim sanoo. ”Ja pulssit eivät hajoa – jokainen pulssi on 2 nanosekuntia pitkä. Joten UCNP ei ainoastaan näytä superfluoresenssia huoneenlämpötilassa, vaan se tekee sen säädeltävällä tavalla. Tämä tarkoittaa, että kiteitä voitaisiin käyttää esimerkiksi ajastimina, neurosensoreina tai optisina transistoreina integroiduissa fotonisissa piireissä.
