I ricercatori negli Stati Uniti hanno creato nanoparticelle che emettono impulsi di luce superfluorescente a temperatura ambiente. Insolitamente, la luce emessa è anti-Stokes spostata, il che significa che ha una lunghezza d'onda più corta (e quindi un'energia maggiore) rispetto alla lunghezza d'onda della luce che avvia la risposta, un fenomeno noto come upconversion. Le nuove nanoparticelle, che il team ha scoperto mentre cercava un effetto ottico diverso, potrebbero consentire di creare nuovi tipi di timer, sensori e transistor nei circuiti ottici.
"Emissioni così intense e rapide sono perfette per numerosi materiali pionieristici e piattaforme di nanomedicina", capo del team Shuang Fang Lim of North Carolina State University dice Mondo della fisica. "Ad esempio, le nanoparticelle upconverted (UCNP) sono state ampiamente utilizzate in applicazioni biologiche che vanno dal biosensing senza rumore di fondo, alla nanomedicina di precisione e all'imaging dei tessuti profondi, alla biologia cellulare, alla fisiologia visiva e all'optogenetica".
Schermatura degli orbitali elettronici
La superfluorescenza si verifica quando più atomi all'interno di un materiale emettono contemporaneamente una breve e intensa esplosione di luce. Questo fenomeno quantistico-ottico è distinto dall'emissione spontanea isotropa o dalla normale fluorescenza, è difficile da ottenere a temperatura ambiente e tende a non durare abbastanza a lungo per essere utile. Gli UCNP, tuttavia, sono diversi, afferma un membro del team Banda Han della Scuola di medicina Chan dell'Università del Massachusetts. “In un UCNP, la luce viene emessa da 4f transizioni elettroniche protette da orbitali elettronici più alti che fungono da "scudo", consentendo la superfluorescenza anche a temperatura ambiente", spiega Han.
Nel nuovo lavoro, il team ha osservato la superfluorescenza negli ioni che si accoppiano tra loro all'interno di una singola nanoparticella di UCNPs drogati con lantanide compattati con ioni di neodimio. A differenza della superfluorescenza in altri materiali, come i nanocristalli di perovskite altamente ordinati o gli assemblaggi di punti quantici di semiconduttori che utilizzano ciascuna nanoparticella come emettitore, negli UCNP drogati con lantanide, ogni ione lantanide in una singola nanoparticella è un singolo emettitore. "Questo emettitore può quindi interagire con altri ioni lantanidi per stabilire coerenza e consentire la superfluorescenza anti-Stokes-shift sia in assemblaggi casuali di nanoparticelle che in singoli nanocristalli, che con una dimensione di soli 50 nm sono il mezzo di superfluorescenza più piccolo mai creato", dice Lim.
Sincronizzazione in uno stato macroscopico coeso
"La superfluorescenza deriva dal coordinamento macroscopico delle fasi emissive degli ioni eccitati nella nanoparticella dopo il deposito dell'energia di eccitazione", aggiunge il membro del team Kory Green. “Un impulso laser eccita gli ioni all'interno della nanoparticella e all'inizio quegli stati non sono organizzati in modo coerente.
“Affinché si verifichi la superfluorescenza, quell'insieme di ioni inizialmente disorganizzato deve sincronizzarsi in uno stato macroscopico coeso prima dell'emissione. Per facilitare questo coordinamento, la struttura del nanocristallo e la densità degli ioni di neodimio devono essere accuratamente selezionate”.
Le nanoparticelle di upconverting consentono ai topi di vedere nell'infrarosso
La scoperta, di cui il team riporta Nature Photonics, è stato creato per caso mentre Lim e colleghi stavano cercando di realizzare materiali che lase, ovvero materiali in cui la luce emessa da un atomo stimoli un altro a emettere più della stessa luce. Invece, hanno osservato la superfluorescenza, in cui gli atomi inizialmente non sincronizzati si allineano, quindi emettono luce insieme.
"Quando abbiamo eccitato il materiale a diverse intensità laser, abbiamo scoperto che emette tre impulsi di superfluorescenza a intervalli regolari per ciascuna eccitazione", afferma Lim. “E gli impulsi non si degradano: ogni impulso è lungo 2 nanosecondi. Quindi non solo l'UCNP mostra superfluorescenza a temperatura ambiente, ma lo fa in un modo che può essere controllato. Ciò significa che i cristalli potrebbero essere utilizzati come timer, neurosensori o transistor ottici su circuiti integrati fotonici, ad esempio”.
