Дослідники в США створили наночастинки, які випромінюють імпульси суперфлуоресцентного світла при кімнатній температурі. Незвичайним є те, що випромінюване світло має антистоксів зсув, що означає, що воно має коротшу довжину хвилі (і, отже, вищу енергію), ніж довжина хвилі світла, яке ініціює відповідь – явище, відоме як підвищення рівня. Нові наночастинки, які команда виявила під час пошуку іншого оптичного ефекту, можуть зробити можливим створення нових типів таймерів, датчиків і транзисторів в оптичних схемах.
«Такі інтенсивні та швидкі викиди ідеально підходять для багатьох новаторських матеріалів і наномедичних платформ», — керівник групи Шуан Фан Лім of Державний університет Північної Кароліни розповідає Світ фізики. «Наприклад, перетворені наночастинки (UCNP) широко використовуються в біологічних додатках, починаючи від біосенсору без фонового шуму, точної наномедицини та візуалізації глибоких тканин до клітинної біології, фізіології зору та оптогенетики».
Екранування електронних орбіталей
Суперфлуоресценція виникає, коли кілька атомів у матеріалі одночасно випромінюють короткий інтенсивний спалах світла. Це квантово-оптичне явище відрізняється від ізотропного спонтанного випромінювання або нормальної флуоресценції, його важко досягти при кімнатній температурі та, як правило, не триває достатньо довго, щоб бути корисним. Однак UCNP відрізняються, каже член команди Ган Хань в Медична школа Чан Університету Массачусетса. «У UCNP світло випромінюється з 4f електронні переходи, які захищені вищими електронними орбіталями, які діють як «щит», уможливлюючи суперфлуоресценцію навіть за кімнатної температури», – пояснює Хан.
У новій роботі команда спостерігала суперфлуоресценцію в іонах, які з’єднуються один з одним в одній наночастинці UCNP, легованих лантаноїдами, ущільнених іонами неодиму. На відміну від суперфлуоресценції в інших матеріалах, таких як високовпорядковані нанокристали перовскіту або напівпровідникові квантові точки, які використовують кожну наночастинку як випромінювач, у легованих лантаноїдами UCNP кожен іон лантаноїду в одній наночастинці є окремим випромінювачем. «Цей випромінювач може потім взаємодіяти з іншими іонами лантаноїдів для встановлення когерентності та забезпечення суперфлуоресценції проти стоксового зсуву як у випадкових наночастинках, так і в окремих нанокристалах, які при розмірі лише 50 нм є найменшими суперфлуоресцентними середовищами з коли-небудь створених», Лім каже.
Синхронізація в згуртований макроскопічний стан
«Суперфлуоресценція походить від макроскопічної координації емісійних фаз збуджених іонів у наночастинці після того, як енергія збудження осідає», — додає член команди Корі Грін. «Лазерний імпульс збуджує іони всередині наночастинки, і ці стани спочатку не є когерентно організованими.
«Щоб виникла суперфлуоресценція, цей спочатку неорганізований набір іонів повинен синхронізуватися в згуртований макроскопічний стан перед випромінюванням. Щоб полегшити цю координацію, необхідно ретельно підібрати структуру нанокристала та щільність іонів неодиму».
Наночастинки, що підвищують перетворення, дозволяють мишам бачити в інфрачервоному діапазоні
Відкриття, про яке повідомляє команда Природа Фотоніка, був створений випадково, коли Лім і його колеги намагалися створити матеріали, які випромінюють лазер, тобто матеріали, в яких світло, випромінюване одним атомом, стимулює інший випромінювати більше такого самого світла. Замість цього вони спостерігали суперфлуоресценцію, при якій спочатку несинхронізовані атоми вирівнюються, а потім разом випромінюють світло.
«Коли ми збуджували матеріал різною інтенсивністю лазера, ми виявили, що він випромінює три імпульси суперфлуоресценції через рівні проміжки часу для кожного збудження», — говорить Лім. «Імпульси не погіршуються – кожен імпульс триває 2 наносекунди. Таким чином, UCNP не тільки демонструє суперфлуоресценцію при кімнатній температурі, але й у спосіб, яким можна керувати. Це означає, що кристали можна використовувати, наприклад, як таймери, нейросенсори або оптичні транзистори на фотонних інтегральних схемах».
