Des chercheurs américains ont créé des nanoparticules qui émettent des impulsions de lumière superfluorescente à température ambiante. Exceptionnellement, la lumière émise est décalée anti-Stokes, ce qui signifie qu'elle a une longueur d'onde plus courte (et donc une énergie plus élevée) que la longueur d'onde de la lumière qui déclenche la réponse - un phénomène connu sous le nom de conversion ascendante. Les nouvelles nanoparticules, que l'équipe a découvertes en recherchant un effet optique différent, pourraient permettre de créer de nouveaux types de temporisateurs, de capteurs et de transistors dans les circuits optiques.
"De telles émissions intenses et rapides sont parfaites pour de nombreux matériaux pionniers et plates-formes de nanomédecine", chef d'équipe Shuang Fang Lim of Université d'État de Caroline du Nord raconte Monde de la physique. "Par exemple, les nanoparticules converties vers le haut (UCNP) ont été largement utilisées dans des applications biologiques allant de la biodétection sans bruit de fond, la nanomédecine de précision et l'imagerie des tissus profonds, à la biologie cellulaire, la physiologie visuelle et l'optogénétique."
Blindage des orbitales d'électrons
La superfluorescence se produit lorsque plusieurs atomes d'un matériau émettent simultanément une courte et intense rafale de lumière. Ce phénomène d'optique quantique est distinct de l'émission spontanée isotrope ou de la fluorescence normale, est difficile à obtenir à température ambiante et a tendance à ne pas durer assez longtemps pour être utile. Les UCNP, cependant, sont différents, dit un membre de l'équipe Gang Han des École de médecine Chan de l'Université du Massachusetts. "Dans un UCNP, la lumière est émise par 4f des transitions d'électrons protégées par des orbitales d'électrons plus élevées qui agissent comme un "bouclier", permettant une superfluorescence même à température ambiante », explique Han.
Dans le nouveau travail, l'équipe a observé une superfluorescence dans les ions qui se couplent les uns aux autres dans une seule nanoparticule d'UCNPs dopés aux lanthanides compactés avec des ions néodyme. Contrairement à la superfluorescence dans d'autres matériaux, tels que les nanocristaux de pérovskite hautement ordonnés ou les assemblages de points quantiques semi-conducteurs qui utilisent chaque nanoparticule comme émetteur, dans les UCNP dopés aux lanthanides, chaque ion lanthanide dans une seule nanoparticule est un émetteur individuel. "Cet émetteur peut ensuite interagir avec d'autres ions lanthanides pour établir une cohérence et permettre une superfluorescence anti-Stokes-shift dans les assemblages de nanoparticules aléatoires et dans des nanocristaux uniques, qui, à seulement 50 nm, sont les plus petits milieux de superfluorescence jamais créés", dit Lim.
Synchronisation dans un état macroscopique cohésif
"La superfluorescence provient de la coordination macroscopique des phases émissives des ions excités dans la nanoparticule après le dépôt de l'énergie d'excitation", ajoute Kory Green, membre de l'équipe. « Une impulsion laser excite les ions à l'intérieur de la nanoparticule et ces états ne sont pas organisés de manière cohérente au début.
"Pour que la superfluorescence se produise, cet ensemble d'ions initialement désorganisé doit se synchroniser dans un état macroscopique cohésif avant l'émission. Pour faciliter cette coordination, la structure du nanocristal et la densité des ions néodyme doivent être soigneusement sélectionnées.
Les nanoparticules à conversion ascendante permettent aux souris de voir dans l'infrarouge
La découverte, que l'équipe rapporte dans Nature Photonics, a été créé par hasard alors que Lim et ses collègues essayaient de fabriquer des matériaux qui émettent des lasers, c'est-à-dire des matériaux dans lesquels la lumière émise par un atome en stimule un autre pour qu'il émette davantage de la même lumière. Au lieu de cela, ils ont observé une superfluorescence, dans laquelle les atomes initialement non synchronisés s'alignent, puis émettent de la lumière ensemble.
"Lorsque nous avons excité le matériau à différentes intensités laser, nous avons constaté qu'il émettait trois impulsions de superfluorescence à intervalles réguliers pour chaque excitation", explique Lim. « Et les impulsions ne se dégradent pas – chaque impulsion dure 2 nanosecondes. Ainsi, non seulement l'UCNP présente une superfluorescence à température ambiante, mais il le fait d'une manière qui peut être contrôlée. Cela signifie que les cristaux pourraient être utilisés comme minuteries, neurocapteurs ou transistors optiques sur des circuits intégrés photoniques, par exemple.
