Para peneliti di AS telah menciptakan nanopartikel yang memancarkan pulsa cahaya superfluorescent pada suhu kamar. Luar biasa, cahaya yang dipancarkan anti-Stokes bergeser, yang berarti bahwa ia memiliki panjang gelombang yang lebih pendek (dan dengan demikian energi yang lebih tinggi) daripada panjang gelombang cahaya yang memulai respon – sebuah fenomena yang dikenal sebagai upconversion. Nanopartikel baru, yang ditemukan tim saat mencari efek optik yang berbeda, dapat memungkinkan untuk membuat jenis timer, sensor, dan transistor baru di sirkuit optik.
“Emisi yang intens dan cepat seperti itu sempurna untuk berbagai bahan perintis dan platform nanomedicine,” pemimpin tim shuangfang lim of Universitas Negeri Carolina Utara mengatakan Dunia Fisika. “Misalnya, nanopartikel terkonversi (UCNPs) telah banyak digunakan dalam aplikasi biologis mulai dari biosensing bebas kebisingan latar belakang, pengobatan nano presisi dan pencitraan jaringan dalam, hingga biologi sel, fisiologi visual, dan optogenetika.”
Orbital elektron pelindung
Superfluoresensi terjadi ketika beberapa atom dalam suatu material secara bersamaan memancarkan ledakan cahaya yang singkat dan intens. Fenomena kuantum-optik ini berbeda dari emisi spontan isotropik atau fluoresensi normal, sulit dicapai pada suhu kamar dan cenderung tidak bertahan cukup lama untuk berguna. UCNP, bagaimanapun, berbeda, kata anggota tim Geng Han dari Sekolah Kedokteran Universitas Massachusetts Chan. “Dalam UCNP, cahaya dipancarkan dari 4f transisi elektron yang dilindungi oleh orbital elektron yang terletak lebih tinggi yang bertindak sebagai 'perisai', memungkinkan superfluoresensi bahkan pada suhu kamar,” Han menjelaskan.
Dalam pekerjaan baru, tim mengamati superfluoresensi dalam ion yang berpasangan satu sama lain dalam satu nanopartikel dari UCNP yang didoping lantanida yang dipadatkan dengan ion neodymium. Tidak seperti superfluoresensi dalam bahan lain, seperti nanocrystals perovskit yang sangat teratur atau rakitan titik kuantum semikonduktor yang menggunakan setiap nanopartikel sebagai emitor, dalam UCNP yang didoping lantanida, setiap ion lantanida dalam nanopartikel tunggal adalah emitor individu. “Emitter ini kemudian dapat berinteraksi dengan ion lantanida lain untuk membangun koherensi dan memungkinkan superfluoresensi anti-Stokes-shift dalam rakitan nanopartikel acak dan dalam kristal nano tunggal, yang berukuran hanya 50 nm adalah media superfluoresensi terkecil yang pernah dibuat,” kata Lim.
Sinkronisasi menjadi keadaan makroskopik yang kohesif
“Superfluoresensi berasal dari koordinasi makroskopik fase emisi dari ion tereksitasi dalam nanopartikel setelah energi eksitasi disimpan,” tambah anggota tim Kory Green. “Pulsa laser menggairahkan ion-ion di dalam partikel nano dan keadaan itu pada awalnya tidak terorganisir secara koheren.
“Agar superfluoresensi terjadi, kumpulan ion yang awalnya tidak terorganisir harus disinkronkan menjadi keadaan makroskopik kohesif sebelum emisi. Untuk memfasilitasi koordinasi ini, struktur nanocrystal dan kepadatan ion neodymium harus dipilih dengan cermat.”
Nanopartikel yang mengonversi memungkinkan tikus untuk melihat dalam inframerah
Penemuan, yang dilaporkan oleh tim Nature Photonics, dibuat secara kebetulan ketika Lim dan rekan mencoba membuat bahan yang lase – yaitu, bahan di mana cahaya yang dipancarkan oleh satu atom merangsang atom lain untuk memancarkan lebih banyak cahaya yang sama. Sebagai gantinya, mereka mengamati superfluoresensi, di mana atom-atom yang awalnya tidak tersinkronisasi sejajar, kemudian memancarkan cahaya bersama-sama.
“Ketika kami menggairahkan materi pada intensitas laser yang berbeda, kami menemukan bahwa ia memancarkan tiga pulsa superfluoresensi secara berkala untuk setiap eksitasi,” kata Lim. “Dan pulsa tidak menurun – setiap pulsa panjangnya 2 nanodetik. Jadi UCNP tidak hanya menunjukkan superfluoresensi pada suhu kamar, tetapi juga dengan cara yang dapat dikontrol. Ini berarti kristal dapat digunakan sebagai pengatur waktu, neurosensor atau transistor optik pada sirkuit terpadu fotonik, misalnya.”
