חוקרים בארה"ב יצרו ננו-חלקיקים הפולטים פולסים של אור על-פלורסנט בטמפרטורת החדר. באופן חריג, האור הנפלט מוזז נגד סטוק, כלומר יש לו אורך גל קצר יותר (ולכן אנרגיה גבוהה יותר) מאורך הגל של האור שמתחיל את התגובה - תופעה המכונה המרה למעלה. הננו-חלקיקים החדשים, אותם גילה הצוות תוך כדי חיפוש אחר אפקט אופטי אחר, יכולים לאפשר ליצור סוגים חדשים של טיימרים, חיישנים וטרנזיסטורים במעגלים אופטיים.
"פליטות אינטנסיביות ומהירות כאלה מושלמות עבור חומרים פורצי דרך ופלטפורמות ננו-רפואה", מנהיג הצוות שואנג פאנג לים of אוניברסיטת צפון קרוליינה אומר עולם הפיזיקה. "לדוגמה, ננו-חלקיקים מומרים למעלה (UCNPs) הועסקו באופן נרחב ביישומים ביולוגיים, החל מביו-סנסינג ללא רעשי רקע, ננו-רפואה מדויקת והדמיה של רקמות עמוקות, ועד לביולוגיה של תאים, פיזיולוגיה חזותית ואופטוגנטיקה."
מיגון אורביטלים של אלקטרונים
פלואורסצנטי-על מתרחש כאשר אטומים מרובים בתוך חומר פולטים בו-זמנית פרץ קצר ועז של אור. תופעה קוונטית-אופטית זו נבדלת מפליטת ספונטנית איזוטרופית או פלואורסצנטיות רגילה, קשה להשגה בטמפרטורת החדר ונוטה לא להימשך מספיק זמן כדי להיות שימושית. עם זאת, UCNPs שונים, אומר חבר הצוות כנופיית האן של בית הספר לרפואה של אוניברסיטת מסצ'וסטס צ'אן. "ב-UCNP, האור נפלט מ-4f מעברי אלקטרונים המוגנים על ידי אורביטלים של אלקטרונים גבוהים יותר הפועלים כ'מגן', המאפשרים פלואורסצנטי-על אפילו בטמפרטורת החדר", מסביר האן.
בעבודה החדשה, הצוות צפה בסופרפלואורסצנטיות ביונים שמתחברים זה לזה בתוך ננו-חלקיק בודד של UCNPs מסוממים בניאודימיום-יונים. שלא כמו פלואורסצנטי-על בחומרים אחרים, כגון ננו-גבישים פרוסקיט מסודרים מאוד או מכלולי נקודות קוונטיות מוליכים למחצה המשתמשים בכל ננו-חלקיק כפולט, ב-UCNPs מסוממים ב-Lanthanide, כל יון לנתניד בננו-חלקיק בודד הוא פולט בודד. "הפולט הזה יכול לקיים אינטראקציה עם יוני לנתניד אחרים כדי לבסס קוהרנטיות ולאפשר סופר-פלואורסצנטי אנטי-סטוקס במכלולי ננו-חלקיקים אקראיים וגם בננו-גבישים בודדים, אשר בגודל של 50 ננומטר בלבד הם אמצעי העל הקטן ביותר אי פעם שנוצרו אי פעם." לים אומר.
סנכרון למצב מקרוסקופי מלוכד
"הפלורסנטיות העל מגיעה מהתיאום המקרוסקופי של השלבים הנפלטים של היונים הנרגשים בננו-חלקיק לאחר הפקדת אנרגיית העירור", מוסיף חבר הצוות קורי גרין. "דופק לייזר מעורר את היונים בתוך הננו-חלקיק ומצבים אלה אינם מאורגנים באופן קוהרנטי בהתחלה.
"כדי להתרחש סופרפלואורסצנטי, אותה קבוצה לא מאורגנת בתחילה של יונים צריכה להסתנכרן למצב מקרוסקופי מלוכד לפני הפליטה. כדי להקל על התיאום הזה יש לבחור בקפידה את מבנה הננו-גביש ואת הצפיפות של יוני הנאודימיום".
חלקיקי ננו המתמירים למעלה מאפשרים לעכברים לראות באינפרא אדום
התגלית, שעליה מדווח הצוות Nature Photonics, נוצר במקרה בעוד לים ועמיתיו ניסו לייצר חומרים מעמידים - כלומר חומרים שבהם אור הנפלט על ידי אטום אחד מגרה אחר לפלוט יותר מאותו אור. במקום זאת, הם צפו בסופרפלואורסצנטיות, שבה האטומים הלא מסונכרנים בתחילה מתיישרים, ואז פולטים אור יחד.
"כאשר ריגנו את החומר בעוצמות לייזר שונות, גילינו שהוא פולט שלושה פולסים של על-פלואורסצנטי במרווחי זמן קבועים עבור כל עירור", אומר לים. "והפולסים לא מתכלים - כל דופק הוא באורך 2 ננו-שניות. אז לא רק שה-UCNP מפגין סופרפלואורסצנטי בטמפרטורת החדר, הוא עושה זאת באופן שניתן לשלוט בו. זה אומר שהגבישים יכולים לשמש כטיימרים, חיישנים עצביים או טרנזיסטורים אופטיים במעגלים משולבים פוטוניים, למשל."
