Onderzoekers in de VS hebben nanodeeltjes gemaakt die pulsen van superfluorescerend licht uitzenden bij kamertemperatuur. Ongebruikelijk is dat het uitgezonden licht anti-Stokes-verschoven is, wat betekent dat het een kortere golflengte (en dus een hogere energie) heeft dan de golflengte van het licht dat de reactie initieert - een fenomeen dat bekend staat als upconversion. De nieuwe nanodeeltjes, die het team ontdekte terwijl ze op zoek waren naar een ander optisch effect, zouden het mogelijk kunnen maken om nieuwe soorten timers, sensoren en transistors in optische circuits te maken.
"Zulke intense en snelle emissies zijn perfect voor tal van baanbrekende materialen en nanogeneeskundeplatforms", zegt teamleider Shuang Fang Lim of North Carolina State University vertelt Natuurkunde wereld. "Upconverted nanoparticles (UCNP's) zijn bijvoorbeeld op grote schaal gebruikt in biologische toepassingen, variërend van achtergrondruisvrije biosensing, precisie nanomedicine en deep-tissue imaging, tot celbiologie, visuele fysiologie en optogenetica."
Afscherming van elektronenorbitalen
Superfluorescentie treedt op wanneer meerdere atomen in een materiaal tegelijkertijd een korte, intense lichtflits uitzenden. Dit kwantumoptische fenomeen verschilt van isotrope spontane emissie of normale fluorescentie, is moeilijk te bereiken bij kamertemperatuur en duurt meestal niet lang genoeg om bruikbaar te zijn. UCNP's zijn echter anders, zegt teamlid Bende Han van de Universiteit van Massachusetts Chan Medical School. “In een UCNP wordt het licht uitgezonden door 4f elektronenovergangen die worden beschermd door hoger liggende elektronenorbitalen die fungeren als een 'schild', waardoor zelfs bij kamertemperatuur superfluorescentie mogelijk is”, legt Han uit.
In het nieuwe werk observeerde het team superfluorescentie in ionen die met elkaar koppelen binnen een enkel nanodeeltje van neodymium-ion-gecompacteerde lanthanide-gedoteerde UCNP's. In tegenstelling tot superfluorescentie in andere materialen, zoals zeer geordende perovskiet-nanokristallen of halfgeleider-kwantumstippen-assemblages die elk nanodeeltje als emitter gebruiken, is in met lanthanide gedoteerde UCNP's elk lanthanide-ion in een enkel nanodeeltje een individuele emitter. "Deze zender kan vervolgens interageren met andere lanthanide-ionen om coherentie tot stand te brengen en anti-Stokes-shift superfluorescentie mogelijk te maken in zowel willekeurige nanodeeltjesassemblages als in enkele nanokristallen, die met een grootte van slechts 50 nm de kleinste ooit gemaakte superfluorescentiemedia zijn, " zegt Lim.
Synchronisatie naar een samenhangende macroscopische toestand
"De superfluorescentie komt van de macroscopische coördinatie van de emissiefasen van de geëxciteerde ionen in het nanodeeltje nadat de excitatie-energie is gedeponeerd", voegt teamlid Kory Green toe. “Een laserpuls prikkelt de ionen in het nanodeeltje en die toestanden zijn aanvankelijk niet coherent georganiseerd.
"Om superfluorescentie te laten plaatsvinden, moet die aanvankelijk ongeorganiseerde set ionen vóór emissie worden gesynchroniseerd tot een samenhangende macroscopische toestand. Om deze coördinatie te vergemakkelijken, moeten de structuur van het nanokristal en de dichtheid van de neodymiumionen zorgvuldig worden geselecteerd.”
Dankzij upconverting nanodeeltjes kunnen muizen infrarood zien
De ontdekking, waarin het team rapporteert Natuur Fotonica, werd bij toeval gemaakt terwijl Lim en collega's materialen probeerden te maken die laseren - dat wil zeggen materialen waarin licht dat door het ene atoom wordt uitgezonden, een ander stimuleert om meer van hetzelfde licht uit te stralen. In plaats daarvan observeerden ze superfluorescentie, waarbij de aanvankelijk niet-gesynchroniseerde atomen uitlijnen en vervolgens samen licht uitstralen.
"Toen we het materiaal met verschillende laserintensiteiten prikkelden, ontdekten we dat het voor elke excitatie met regelmatige tussenpozen drie pulsen superfluorescentie uitzendt", zegt Lim. “En de pulsen gaan niet achteruit – elke puls is 2 nanoseconden lang. Dus niet alleen vertoont de UCNP superfluorescentie bij kamertemperatuur, het doet dit op een manier die kan worden gecontroleerd. Dit betekent dat de kristallen bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt als timers, neurosensoren of optische transistoren op fotonische geïntegreerde schakelingen.”
