Raziskovalci v ZDA so ustvarili nanodelce, ki oddajajo impulze superfluorescentne svetlobe pri sobni temperaturi. Nenavadno je, da je oddana svetloba proti-Stokesova premaknjena, kar pomeni, da ima krajšo valovno dolžino (in s tem višjo energijo) kot valovna dolžina svetlobe, ki sproži odziv – pojav, znan kot pretvorba navzgor. Novi nanodelci, ki jih je ekipa odkrila med iskanjem drugačnega optičnega učinka, bi lahko omogočili ustvarjanje novih vrst časovnikov, senzorjev in tranzistorjev v optičnih vezjih.
"Tako intenzivne in hitre emisije so kot nalašč za številne pionirske materiale in nanomedicinske platforme," vodja skupine Shuang Fang Lim of North Carolina State University pove Svet fizike. "Na primer, pretvorjeni nanodelci (UCNP) so bili široko uporabljeni v bioloških aplikacijah, od biosenzorja brez hrupa v ozadju, natančne nanomedicine in slikanja globokih tkiv do celične biologije, vizualne fiziologije in optogenetike."
Zaščitne elektronske orbitale
Superfluorescenca se pojavi, ko več atomov v materialu hkrati oddaja kratek, intenziven izbruh svetlobe. Ta kvantno-optični pojav se razlikuje od izotropne spontane emisije ali običajne fluorescence, težko ga je doseči pri sobni temperaturi in običajno ne traja dovolj dolgo, da bi bil uporaben. UCNP pa so drugačni, pravi član ekipe Gang Han od Medicinska šola Chan Univerze v Massachusettsu. »V UCNP se svetloba oddaja iz 4f elektronski prehodi, ki so zaščiteni z višje ležečimi elektronskimi orbitalami, ki delujejo kot 'ščit' in omogočajo superfluorescenco tudi pri sobni temperaturi,« pojasnjuje Han.
V novem delu je ekipa opazila superfluorescenco v ionih, ki se spajajo med seboj v enem samem nanodelcu UCNP-jev, dopiranih z neodimijevimi ioni, dopiranih z lantanidi. Za razliko od superfluorescence v drugih materialih, kot so visoko urejeni nanokristali perovskita ali sklopi polprevodniških kvantnih pik, ki uporabljajo vsak nanodelec kot oddajnik, je v UCNP, dopiranih z lantanidi, vsak lantanidni ion v posameznem nanodelcu posamezen oddajnik. "Ta oddajnik lahko nato sodeluje z drugimi ioni lantanida, da vzpostavi koherenco in omogoči superfluorescenco proti Stokesovemu premiku tako v naključnih sklopih nanodelcev kot v posameznih nanokristalih, ki so z velikostjo samo 50 nm najmanjši superfluorescenčni mediji, kar jih je bilo kdaj ustvarjeno," Lim pravi.
Sinhronizacija v kohezivno makroskopsko stanje
"Superfluorescenca izhaja iz makroskopske koordinacije emisijskih faz vzbujenih ionov v nanodelcu po odlaganju energije vzbujanja," dodaja član ekipe Kory Green. »Laserski impulz vzbudi ione znotraj nanodelcev in ta stanja sprva niso koherentno organizirana.
»Da pride do superfluorescence, se mora ta prvotno neorganiziran niz ionov pred emisijo sinhronizirati v kohezivno makroskopsko stanje. Da bi olajšali to koordinacijo, je treba skrbno izbrati strukturo nanokristala in gostoto neodimovih ionov.
Nanodelci, ki pretvarjajo navzgor, omogočajo mišim, da vidijo v infrardeči svetlobi
Odkritje, o katerem ekipa poroča v Narava fotonika, je nastal po naključju, medtem ko so Lim in njegovi sodelavci poskušali izdelati materiale, ki sevajo – to je materiale, pri katerih svetloba, ki jo oddaja en atom, spodbuja drugega, da oddaja več enake svetlobe. Namesto tega so opazili superfluorescenco, v kateri se prvotno nesinhronizirani atomi poravnajo, nato pa skupaj oddajajo svetlobo.
"Ko smo material vzbujali z različnimi intenzitetami laserja, smo ugotovili, da oddaja tri impulze superfluorescence v rednih intervalih za vsako vzbujanje," pravi Lim. »In impulzi se ne poslabšajo – vsak impulz je dolg 2 nanosekundi. Tako UCNP ne kaže samo superfluorescence pri sobni temperaturi, ampak to počne na način, ki ga je mogoče nadzorovati. To pomeni, da bi lahko kristale uporabili kot časovnike, nevrosenzorje ali optične tranzistorje na fotonskih integriranih vezjih, na primer.
