Forskere i USA har laget nanopartikler som sender ut pulser av superfluorescerende lys ved romtemperatur. Uvanlig er det utsendte lyset anti-Stokes-forskyvet, noe som betyr at det har en kortere bølgelengde (og dermed en høyere energi) enn bølgelengden til lyset som initierer responsen - et fenomen kjent som oppkonvertering. De nye nanopartikler, som teamet oppdaget mens de lette etter en annen optisk effekt, kan gjøre det mulig å lage nye typer timere, sensorer og transistorer i optiske kretser.
"Slike intense og raske utslipp er perfekte for en rekke banebrytende materialer og nanomedisinske plattformer," teamleder Shuang Fang Lim of North Carolina State University forteller Fysikkens verden. "For eksempel har oppkonverterte nanopartikler (UCNP) blitt mye brukt i biologiske applikasjoner, alt fra bakgrunnsstøyfri biosensing, presisjonsnanomedisin og dypvevsavbildning, til cellebiologi, visuell fysiologi og optogenetikk."
Skjerming av elektronorbitaler
Superfluorescens oppstår når flere atomer i et materiale samtidig sender ut et kort, intenst lysutbrudd. Dette kvanteoptiske fenomenet er forskjellig fra isotrop spontan emisjon eller normal fluorescens, er vanskelig å oppnå ved romtemperatur og har en tendens til ikke å vare lenge nok til å være nyttig. UCNP-er er imidlertid forskjellige, sier teammedlem Gjengen Han av University of Massachusetts Chan Medical School. "I en UCNP sendes lyset ut fra 4f elektronoverganger som er beskyttet av høyereliggende elektronorbitaler som fungerer som et "skjold", som tillater superfluorescens selv ved romtemperatur," forklarer Han.
I det nye arbeidet observerte teamet superfluorescens i ioner som kobles til hverandre innenfor en enkelt nanopartikkel av neodym-ion-komprimerte lantanid-dopede UCNP-er. I motsetning til superfluorescens i andre materialer, for eksempel høyt ordnede perovskitt-nanokrystaller eller halvlederkvanteprikker som bruker hver nanopartikkel som en emitter, i lantanid-dopede UCNP-er, er hvert lantanidion i en enkelt nanopartikkel en individuell emitter. "Denne emitteren kan deretter interagere med andre lantanidioner for å etablere koherens og tillate anti-Stokes-shift superfluorescens i både tilfeldige nanopartikkelsammenstillinger og i enkelt nanokrystaller, som med bare 50 nm i størrelse er det minste superfluorescensmediet som noensinne er laget," sier Lim.
Synkronisering til en sammenhengende makroskopisk tilstand
"Superfluorescensen kommer fra den makroskopiske koordineringen av de emissive fasene til de eksiterte ionene i nanopartikkelen etter at eksitasjonsenergien er avsatt," legger teammedlem Kory Green til. "En laserpuls eksiterer ionene i nanopartikkelen, og disse tilstandene er ikke sammenhengende organisert til å begynne med.
"For at superfluorescens skal oppstå, må det opprinnelig uorganiserte settet med ioner synkroniseres til en sammenhengende makroskopisk tilstand før emisjon. For å lette denne koordineringen må strukturen til nanokrystallen og tettheten til neodymionene velges nøye."
Oppkonverterende nanopartikler lar mus se i infrarødt
Funnet, som teamet rapporterer i Nature Photonics, ble laget ved en tilfeldighet mens Lim og kollegene prøvde å lage materialer som laser – det vil si materialer der lys som sendes ut av ett atom stimulerer et annet til å sende ut mer av det samme lyset. I stedet observerte de superfluorescens, der de til å begynne med usynkroniserte atomene justeres, og deretter sender ut lys sammen.
"Da vi eksiterte materialet ved forskjellige laserintensiteter, fant vi ut at det sender ut tre pulser med superfluorescens med jevne mellomrom for hver eksitasjon," sier Lim. "Og pulsene degraderes ikke - hver puls er 2 nanosekunder lang. Så ikke bare viser UCNP superfluorescens ved romtemperatur, det gjør det på en måte som kan kontrolleres. Dette betyr at krystallene kan brukes som tidtakere, nevrosensorer eller optiske transistorer på fotoniske integrerte kretser, for eksempel."
