Pesquisadores nos EUA criaram nanopartículas que emitem pulsos de luz superfluorescente à temperatura ambiente. Excepcionalmente, a luz emitida é anti-Stokes deslocada, o que significa que tem um comprimento de onda mais curto (e, portanto, uma energia mais alta) do que o comprimento de onda da luz que inicia a resposta – um fenômeno conhecido como conversão ascendente. As novas nanopartículas, que a equipe descobriu enquanto procurava um efeito óptico diferente, podem possibilitar a criação de novos tipos de temporizadores, sensores e transistores em circuitos ópticos.
“Emissões tão intensas e rápidas são perfeitas para vários materiais pioneiros e plataformas de nanomedicina”, líder da equipe Shuang Fang Lim of Universidade Estadual da Carolina do Norte conta Mundo da física. “Por exemplo, as nanopartículas convertidas para cima (UCNPs) têm sido amplamente empregadas em aplicações biológicas que vão desde biossensor sem ruído de fundo, nanomedicina de precisão e imagens de tecidos profundos, até biologia celular, fisiologia visual e optogenética”.
Orbitais eletrônicos de blindagem
A superfluorescência ocorre quando vários átomos dentro de um material emitem simultaneamente uma explosão de luz curta e intensa. Este fenômeno quântico-óptico é distinto da emissão espontânea isotrópica ou fluorescência normal, é difícil de alcançar à temperatura ambiente e tende a não durar o suficiente para ser útil. UCNPs, no entanto, são diferentes, diz membro da equipe Gangue Han da Faculdade de Medicina Chan da Universidade de Massachusetts. “Em uma UCNP, a luz é emitida de 4f transições de elétrons que são protegidas por orbitais de elétrons mais altos que atuam como um 'escudo', permitindo a superfluorescência mesmo à temperatura ambiente”, explica Han.
No novo trabalho, a equipe observou superfluorescência em íons que se acoplam dentro de uma única nanopartícula de UCNPs dopados com lantanídeos compactados com neodímio. Ao contrário da superfluorescência em outros materiais, como nanocristais de perovskita altamente ordenados ou conjuntos de pontos quânticos semicondutores que usam cada nanopartícula como emissor, em UCNPs dopados com lantanídeos, cada íon lantanídeo em uma única nanopartícula é um emissor individual. “Esse emissor pode interagir com outros íons de lantanídeos para estabelecer coerência e permitir a superfluorescência anti-Stokes-shift em conjuntos de nanopartículas aleatórios e em nanocristais únicos, que com apenas 50 nm de tamanho são os menores meios de superfluorescência já criados”, diz Lima.
Sincronização em um estado macroscópico coeso
“A superfluorescência vem da coordenação macroscópica das fases emissivas dos íons excitados na nanopartícula após a energia de excitação ser depositada”, acrescenta Kory Green, membro da equipe. “Um pulso de laser excita os íons dentro da nanopartícula e esses estados não são organizados de forma coerente no início.
“Para que a superfluorescência ocorra, esse conjunto de íons inicialmente desorganizado precisa se sincronizar em um estado macroscópico coeso antes da emissão. Para facilitar essa coordenação, a estrutura do nanocristal e a densidade dos íons de neodímio devem ser cuidadosamente selecionadas.”
Nanopartículas de upconverting permitem que os ratos vejam em infravermelho
A descoberta, que a equipe relata em Nature Photonics, foi feito por acaso enquanto Lim e seus colegas tentavam fazer materiais que lase – ou seja, materiais nos quais a luz emitida por um átomo estimula outro a emitir mais da mesma luz. Em vez disso, eles observaram superfluorescência, na qual os átomos inicialmente não sincronizados se alinham e depois emitem luz juntos.
“Quando excitamos o material em diferentes intensidades de laser, descobrimos que ele emite três pulsos de superfluorescência em intervalos regulares para cada excitação”, diz Lim. “E os pulsos não se degradam – cada pulso tem 2 nanossegundos de duração. Portanto, o UCNP não apenas exibe superfluorescência à temperatura ambiente, mas o faz de uma maneira que pode ser controlada. Isso significa que os cristais podem ser usados como temporizadores, neurossensores ou transistores ópticos em circuitos integrados fotônicos, por exemplo.”
