Cercetătorii din SUA au creat nanoparticule care emit impulsuri de lumină superfluorescentă la temperatura camerei. În mod neobișnuit, lumina emisă este anti-Stokes deplasată, ceea ce înseamnă că are o lungime de undă mai scurtă (și, prin urmare, o energie mai mare) decât lungimea de undă a luminii care inițiază răspunsul - un fenomen cunoscut sub numele de conversie ascendentă. Noile nanoparticule, pe care echipa le-a descoperit în timp ce căuta un efect optic diferit, ar putea face posibilă crearea de noi tipuri de temporizatoare, senzori și tranzistori în circuitele optice.
„Atât de intense și rapide emisii sunt perfecte pentru numeroase materiale de pionierat și platforme de nanomedicină”, liderul echipei Shuang Fang Lim of Universitatea de Stat din Carolina de Nord spune Lumea fizicii. „De exemplu, nanoparticulele convertite în sus (UCNP) au fost utilizate pe scară largă în aplicații biologice, de la biodetecție fără zgomot de fond, nanomedicină de precizie și imagistica țesut profund, până la biologia celulară, fiziologia vizuală și optogenetică.”
Ecranarea orbitalilor de electroni
Superfluorescența apare atunci când mai mulți atomi dintr-un material emit simultan o explozie scurtă și intensă de lumină. Acest fenomen cuantic-optic este diferit de emisia spontană izotropă sau fluorescența normală, este dificil de realizat la temperatura camerei și tinde să nu dureze suficient de mult pentru a fi util. Cu toate acestea, UCNP-urile sunt diferite, spune membrul echipei Gang Han a Universitatea din Massachusetts Chan Medical School. „Într-un UCNP, lumina este emisă de la 4f tranzițiile de electroni care sunt protejate de orbitalii de electroni mai înalți care acționează ca un „scut”, permițând suprafluorescența chiar și la temperatura camerei”, explică Han.
În noua lucrare, echipa a observat suprafluorescență în ionii care se cuplează unul cu celălalt într-o singură nanoparticulă de UCNP-uri dopate cu lantanide compactate cu ioni de neodim. Spre deosebire de suprafluorescența din alte materiale, cum ar fi nanocristalele de perovskit foarte ordonate sau ansamblurile de puncte cuantice semiconductoare care folosesc fiecare nanoparticulă ca emițător, în UCNP-urile dopate cu lantanide, fiecare ion lantanid dintr-o singură nanoparticulă este un emițător individual. „Acest emițător poate interacționa apoi cu alți ioni de lantanidă pentru a stabili coerența și pentru a permite superfluorescența anti-Stokes-shift atât în ansambluri aleatorii de nanoparticule, cât și în nanocristale simple, care la doar 50 nm în dimensiune sunt cele mai mici medii de superfluorescență create vreodată.” spune Lim.
Sincronizarea într-o stare macroscopică coerentă
„Superfluorescența provine din coordonarea macroscopică a fazelor emisive ale ionilor excitați din nanoparticulă după ce energia de excitație este depusă”, adaugă membrul echipei Kory Green. „Un impuls laser excită ionii din nanoparticule și acele stări nu sunt organizate coerent la început.
„Pentru ca suprafluorescența să apară, acel set inițial dezorganizat de ioni trebuie să se sincronizeze într-o stare macroscopică coerentă înainte de emisie. Pentru a facilita această coordonare, structura nanocristalului și densitatea ionilor de neodim trebuie selectate cu atenție.”
Nanoparticulele cu conversie ascendentă le permit șoarecilor să vadă în infraroșu
Descoperirea, în care echipa raportează Natura Photonics, a fost făcută întâmplător în timp ce Lim și colegii încercau să facă materiale care lase – adică materiale în care lumina emisă de un atom stimulează pe altul să emită mai mult din aceeași lumină. În schimb, au observat suprafluorescență, în care atomii inițial nesincronizați se aliniază, apoi emit lumină împreună.
„Când am excitat materialul la diferite intensități laser, am descoperit că emite trei impulsuri de superfluorescență la intervale regulate pentru fiecare excitație”, spune Lim. „Și impulsurile nu se degradează – fiecare impuls are o lungime de 2 nanosecunde. Deci, UCNP nu numai că prezintă superfluorescență la temperatura camerei, ci o face într-un mod care poate fi controlat. Aceasta înseamnă că cristalele ar putea fi folosite ca temporizatoare, neurosenzori sau tranzistori optici pe circuite integrate fotonice, de exemplu.”
