米国の研究者は、室温で超蛍光光のパルスを放出するナノ粒子を作成しました。 異常に、放出された光は逆ストークス シフトされます。つまり、応答を開始する光の波長よりも短い波長 (したがって、より高いエネルギー) を持つことを意味します。これは、アップコンバージョンとして知られる現象です。 チームが別の光学効果を探している間に発見した新しいナノ粒子は、光回路で新しいタイプのタイマー、センサー、およびトランジスタを作成することを可能にする可能性があります。
「このような強烈で急速な放出は、数多くの先駆的な材料とナノ医療プラットフォームに最適です」とチームリーダー シュアン・ファン・リム of ノースカロライナ州立大学 伝える 物理学の世界. 「たとえば、アップコンバートされたナノ粒子 (UCNP) は、バックグラウンド ノイズのないバイオセンシング、精密ナノ医療、深部組織イメージングから、細胞生物学、視覚生理学、光遺伝学に至るまで、生物学的アプリケーションで広く採用されています。」
電子軌道の遮蔽
超蛍光は、物質内の複数の原子が同時に短時間の強い光バーストを放出するときに発生します。 この量子光学現象は、等方性自然放出または通常の蛍光とは異なり、室温で達成することは困難であり、有用なほど長く持続しない傾向があります。 しかし、UCNP は違うとチーム メンバーは言います。 カン・ハン マサチューセッツ大学チャン医学校. 「UCNP では、光は 4 から放出されます。f 「シールド」として機能する高位の電子軌道によって保護される電子遷移は、室温でも超蛍光を可能にします」とHan氏は説明します。
新しい研究では、チームは、ネオジム イオン圧縮ランタニド ドープ UCNPs の単一のナノ粒子内で互いに結合するイオンの超蛍光を観察しました。 高度に秩序化されたペロブスカイト ナノクリスタルや各ナノ粒子をエミッターとして使用する半導体量子ドット アセンブリなどの他の材料での超蛍光とは異なり、ランタニドをドープした UCNP では、単一のナノ粒子内の各ランタニド イオンが個々のエミッターです。 「このエミッターは、他のランタニドイオンと相互作用してコヒーレンスを確立し、ランダムなナノ粒子集合体と単一のナノ結晶の両方で反ストークスシフト超蛍光を可能にします。サイズはわずか 50 nm で、これまでに作成された中で最小の超蛍光媒体です。」リムは言います。
まとまりのある巨視的状態への同期
「超蛍光は、励起エネルギーが蓄積された後、ナノ粒子内の励起イオンの放出相の巨視的な調整から生じます」とチーム メンバーの Kory Green は付け加えます。 「レーザーパルスはナノ粒子内のイオンを励起しますが、それらの状態は最初は一貫して組織化されていません。
「超蛍光が発生するためには、最初にばらばらになった一連のイオンが、放出前に凝集した巨視的状態に同期する必要があります。 この調整を容易にするために、ナノ結晶の構造とネオジム イオンの密度を慎重に選択する必要があります。」
ナノ粒子をアップコンバートすることで、マウスは赤外線で見ることができます
チームが報告する発見 Nature Photonicsのは、Lim と同僚がレーザー光を発する材料、つまり、ある原子から放出された光が別の原子を刺激して同じ光をより多く放出する材料を作ろうとしていたときに、偶然に作られました。 代わりに、最初は同期していなかった原子が整列し、一緒に発光する超蛍光を観察した。
「異なるレーザー強度で材料を励起すると、励起ごとに一定の間隔で 2 つの超蛍光パルスが放出されることがわかりました」と Lim 氏は言います。 「そして、パルスは劣化しません。各パルスの長さは XNUMX ナノ秒です。 したがって、UCNP は室温で超蛍光を示すだけでなく、制御可能な方法でそれを行います。 これは、たとえば、結晶がタイマー、神経センサー、またはフォトニック集積回路の光トランジスターとして使用できることを意味します。」
