Naukowcy z USA stworzyli nanocząsteczki, które emitują impulsy światła superfluorescencyjnego w temperaturze pokojowej. Co niezwykłe, emitowane światło jest przesunięte antystokesowskie, co oznacza, że ma krótszą długość fali (a tym samym wyższą energię) niż długość fali światła, która inicjuje reakcję – zjawisko znane jako konwersja w górę. Nowe nanocząstki, które zespół odkrył poszukując innego efektu optycznego, mogą umożliwić tworzenie nowych typów zegarów, czujników i tranzystorów w obwodach optycznych.
„Tak intensywne i szybkie emisje są idealne dla wielu pionierskich materiałów i platform nanomedycznych” – kierownik zespołu Shuang Fang Lim of North Carolina State University mówi Świat Fizyki. „Na przykład przekształcone w górę nanocząstki (UCNP) są szeroko stosowane w zastosowaniach biologicznych, od biodetekcji bez szumów tła, precyzyjnej nanomedycyny i obrazowania tkanek głębokich, po biologię komórkową, fizjologię wizualną i optogenetykę”.
Ekranujące orbitale elektronowe
Superfluorescencja występuje, gdy wiele atomów w materiale jednocześnie emituje krótki, intensywny rozbłysk światła. To kwantowo-optyczne zjawisko różni się od izotropowej emisji spontanicznej lub normalnej fluorescencji, jest trudne do osiągnięcia w temperaturze pokojowej i zwykle nie trwa wystarczająco długo, aby było użyteczne. Jednak UCNP są różne, mówi członek zespołu Gang Hana ukończenia Uniwersytet Massachusetts Chan Medical School. „W UCNP światło jest emitowane z 4f przejścia elektronowe, które są chronione przez wyżej położone orbitale elektronowe, które działają jak „osłona”, umożliwiając superfluorescencję nawet w temperaturze pokojowej” – wyjaśnia Han.
W ramach nowej pracy zespół zaobserwował superfluorescencję jonów, które łączą się ze sobą w pojedynczej nanocząstce UCNP domieszkowanych lantanowcami skompaktowanymi jonami neodymu. W przeciwieństwie do superfluorescencji w innych materiałach, takich jak wysoce uporządkowane nanokryształy perowskitu lub zespoły półprzewodnikowych kropek kwantowych, które wykorzystują każdą nanocząsteczkę jako emiter, w UCNP domieszkowanych lantanowcami każdy jon lantanowców w pojedynczej nanocząstce jest indywidualnym emiterem. „Ten emiter może następnie wchodzić w interakcje z innymi jonami lantanowców, aby ustanowić spójność i umożliwić superfluorescencję zapobiegającą przesunięciu Stokesa zarówno w losowych zespołach nanocząstek, jak i w pojedynczych nanokryształach, które przy wielkości zaledwie 50 nm są najmniejszymi mediami superfluorescencyjnymi, jakie kiedykolwiek stworzono”. Mówi Lim.
Synchronizacja w spójny stan makroskopowy
„Nadfluorescencja pochodzi z makroskopowej koordynacji faz emisyjnych wzbudzonych jonów w nanocząstce po osadzeniu energii wzbudzenia” – dodaje członek zespołu Kory Green. „Impuls laserowy wzbudza jony w nanocząstce i stany te na początku nie są spójnie zorganizowane.
„Aby wystąpiła superfluorescencja, ten początkowo zdezorganizowany zestaw jonów musi zsynchronizować się w spójny stan makroskopowy przed emisją. Aby ułatwić tę koordynację, należy starannie dobrać strukturę nanokryształu i gęstość jonów neodymu”.
Przekształcające w górę nanocząsteczki umożliwiają myszom widzenie w podczerwieni
Odkrycie, o którym relacjonuje zespół Nature Photonics, powstał przez przypadek, podczas gdy Lim i jego koledzy próbowali stworzyć materiały laserowe – czyli takie, w których światło emitowane przez jeden atom stymuluje inny do emitowania większej ilości tego samego światła. Zamiast tego zaobserwowali superfluorescencję, w której początkowo niezsynchronizowane atomy ustawiają się w jednej linii, a następnie razem emitują światło.
„Kiedy wzbudziliśmy materiał przy różnych natężeniach lasera, odkryliśmy, że emituje trzy impulsy superfluorescencji w regularnych odstępach czasu dla każdego wzbudzenia” – mówi Lim. „I impulsy nie ulegają degradacji – każdy impuls trwa 2 nanosekundy. Tak więc UCNP nie tylko wykazuje nadfluorescencję w temperaturze pokojowej, ale robi to w sposób, który można kontrolować. Oznacza to, że kryształy mogą być używane na przykład jako zegary, neuroczujniki lub tranzystory optyczne w fotonicznych układach scalonych”.
