Amerikai kutatók olyan nanorészecskéket hoztak létre, amelyek szobahőmérsékleten szuperfluoreszcens fényimpulzusokat bocsátanak ki. A kibocsátott fény szokatlan módon Stokes-ellenes eltolódású, ami azt jelenti, hogy rövidebb hullámhossza (és így nagyobb energiája) van, mint a választ kiváltó fény hullámhossza – ezt a jelenséget felkonverziónak nevezik. Az új nanorészecskék, amelyeket a csapat egy másik optikai effektus keresése közben fedezett fel, új típusú időzítők, érzékelők és tranzisztorok létrehozását tehetik lehetővé optikai áramkörökben.
"Az ilyen intenzív és gyors kibocsátások tökéletesek számos úttörő anyaghoz és nanomedicina platformhoz" - mondta a csapat vezetője Shuang Fang Lim of Észak-Karolina Állami Egyetem megmondja Fizika Világa. "Például a felkonvertált nanorészecskéket (UCNP-ket) széles körben alkalmazzák biológiai alkalmazásokban, kezdve a háttérzajmentes bioszenzeléstől, a precíziós nanogyógyászattól és a mélyszöveti képalkotástól a sejtbiológiáig, vizuális fiziológiáig és optogenetikáig."
Árnyékoló elektronpályák
Szuperfluoreszcencia akkor következik be, amikor egy anyagon belül több atom egyidejűleg rövid, intenzív fénykitörést bocsát ki. Ez a kvantum-optikai jelenség különbözik az izotróp spontán emissziótól vagy a normál fluoreszcenciától, nehezen érhető el szobahőmérsékleten, és általában nem tart elég sokáig ahhoz, hogy hasznos legyen. Az UCNP-k azonban különböznek egymástól, mondja a csapat tagja Han banda az A Massachusetts Egyetem Chan Orvosi Kara. „Az UCNP-ben a fényt 4-ről bocsátják kif elektronátmenetek, amelyeket magasabban fekvő elektronpályák védenek, amelyek „pajzsként” működnek, lehetővé téve a szuperfluoreszcenciát még szobahőmérsékleten is” – magyarázza Han.
Az új munkában a csapat szuperfluoreszcenciát figyelt meg az ionokban, amelyek a neodímium-ionnal tömörített lantaniddal adalékolt UCNP-k egyetlen nanorészecskéjén belül kapcsolódnak egymáshoz. Ellentétben a szuperfluoreszcenciával más anyagokban, például a rendkívül rendezett perovszkit nanokristályokban vagy a félvezető kvantumpont-szerelvényekben, amelyek minden nanorészecskét emitterként használnak, a lantaniddal adalékolt UCNP-kben az egyes nanorészecskékben lévő minden lantanidion egyedi emitter. "Ez az emitter kölcsönhatásba léphet más lantanidionokkal, hogy koherenciát hozzon létre, és lehetővé tegye a Stokes-eltolódás elleni szuperfluoreszcenciát mind véletlenszerű nanorészecske-szerelvényekben, mind pedig egyedi nanokristályokban, amelyek mindössze 50 nm-es méretükkel a valaha létrehozott legkisebb szuperfluoreszcens közegek." - mondja Lim.
Szinkronizálás összefüggő makroszkopikus állapotba
„A szuperfluoreszcencia a nanorészecskékben lévő gerjesztett ionok emissziós fázisainak makroszkopikus koordinációjából származik, miután a gerjesztési energia lerakódott” – teszi hozzá Kory Green, a csapat tagja. „A lézerimpulzus gerjeszti a nanorészecskén belüli ionokat, és ezek az állapotok először nem koherensen szerveződnek.
„A szuperfluoreszcencia létrejöttéhez az ionok kezdetben rendezetlen halmazának szinkronizálódnia kell egy összefüggő makroszkopikus állapotba a kibocsátás előtt. Ennek a koordinációnak a megkönnyítése érdekében gondosan meg kell választani a nanokristály szerkezetét és a neodímium ionok sűrűségét.
A felkonvertáló nanorészecskék lehetővé teszik, hogy az egerek infravörösben lássanak
A felfedezés, amelyről a csapat beszámol Nature fotonika, véletlenül készült, miközben Lim és munkatársai olyan anyagokat próbáltak előállítani, amelyek lézeresek – vagyis olyan anyagokat, amelyekben az egyik atom által kibocsátott fény arra serkenti a másikat, hogy több azonos fényt bocsásson ki. Ehelyett szuperfluoreszcenciát figyeltek meg, amelyben az eredetileg nem szinkronizált atomok egymáshoz igazodnak, majd együtt bocsátanak ki fényt.
„Amikor az anyagot különböző lézerintenzitással gerjesztettük, azt találtuk, hogy minden egyes gerjesztésnél rendszeres időközönként három szuperfluoreszcens impulzust bocsát ki” – mondja Lim. „És az impulzusok nem romlanak le – minden impulzus 2 nanoszekundum hosszú. Tehát az UCNP nemcsak szobahőmérsékleten mutat szuperfluoreszcenciát, hanem szabályozható módon is. Ez azt jelenti, hogy a kristályok például időzítőként, neuroszenzorként vagy optikai tranzisztorként használhatók fotonikus integrált áramkörökön.
