Исследователи в США создали наночастицы, которые излучают импульсы суперфлуоресцентного света при комнатной температуре. Необычно то, что излучаемый свет имеет антистоксовый сдвиг, что означает, что он имеет более короткую длину волны (и, следовательно, более высокую энергию), чем длина волны света, который инициирует реакцию — явление, известное как преобразование с повышением частоты. Новые наночастицы, обнаруженные командой в поисках другого оптического эффекта, могут позволить создавать новые типы таймеров, датчиков и транзисторов в оптических схемах.
«Такие интенсивные и быстрые выбросы идеально подходят для многочисленных новаторских материалов и платформ наномедицины», — сказал руководитель группы. Шуанг Фан Лим of Университет штата Северная Каролина говорит Мир физики. «Например, преобразованные с повышением частоты наночастицы (UCNP) широко используются в биологических приложениях, начиная от биозондирования без фонового шума, точной наномедицины и визуализации глубоких тканей до клеточной биологии, физиологии зрения и оптогенетики».
Экранирующие электронные орбитали
Суперфлуоресценция возникает, когда несколько атомов внутри материала одновременно испускают короткую интенсивную вспышку света. Это квантово-оптическое явление отличается от изотропного спонтанного излучения или нормальной флуоресценции, его трудно достичь при комнатной температуре, и, как правило, оно длится недостаточно долго, чтобы его можно было использовать. Однако UCNP отличаются друг от друга, говорит член команды. Банда Хан Медицинская школа Чана Массачусетского университета. «В UCNP свет излучается из 4f электронные переходы, которые защищены более высокими электронными орбиталями, которые действуют как «экран», допуская сверхфлуоресценцию даже при комнатной температуре», — объясняет Хан.
В новой работе команда наблюдала сверхфлуоресценцию ионов, которые соединяются друг с другом внутри одной наночастицы UCNP, уплотненных ионами неодима, легированных лантаноидом. В отличие от суперфлуоресценции в других материалах, таких как высокоупорядоченные нанокристаллы перовскита или сборки полупроводниковых квантовых точек, в которых каждая наночастица используется в качестве излучателя, в UCNP, легированных лантанидом, каждый ион лантанида в отдельной наночастице является отдельным излучателем. «Затем этот излучатель может взаимодействовать с другими ионами лантанидов, чтобы установить когерентность и обеспечить антистоксову сдвигу суперфлуоресценцию как в случайных ансамблях наночастиц, так и в одиночных нанокристаллах, которые размером всего 50 нм являются самой маленькой из когда-либо созданных суперфлуоресцентных сред». — говорит Лим.
Синхронизация в единое макроскопическое состояние
«Суперфлуоресценция возникает из-за макроскопической координации испускающих фаз возбужденных ионов в наночастице после выделения энергии возбуждения», — добавляет член команды Кори Грин. «Лазерный импульс возбуждает ионы внутри наночастицы, и эти состояния сначала не когерентно организованы.
«Чтобы произошла суперфлуоресценция, этот изначально неорганизованный набор ионов должен синхронизироваться в сплоченное макроскопическое состояние перед излучением. Чтобы облегчить эту координацию, необходимо тщательно выбрать структуру нанокристалла и плотность ионов неодима».
Преобразующие наночастицы позволяют мышам видеть в инфракрасном диапазоне
Открытие, о котором команда сообщает в Nature Photonics, был сделан случайно, когда Лим и его коллеги пытались создать материалы, которые излучают, то есть материалы, в которых свет, излучаемый одним атомом, стимулирует другой излучать больше того же света. Вместо этого они наблюдали суперфлуоресценцию, при которой изначально несинхронизированные атомы выравниваются, а затем вместе излучают свет.
«Когда мы возбуждали материал лазером разной интенсивности, мы обнаружили, что при каждом возбуждении он испускает три импульса суперфлуоресценции через равные промежутки времени», — говорит Лим. «И импульсы не ухудшаются — каждый импульс длится 2 наносекунды. Таким образом, UCNP не только проявляет суперфлуоресценцию при комнатной температуре, но и делает это таким образом, что его можно контролировать. Это означает, что кристаллы можно использовать, например, в качестве таймеров, нейросенсоров или оптических транзисторов в фотонных интегральных схемах».
