Các nhà nghiên cứu ở Mỹ đã tạo ra các hạt nano phát ra các xung ánh sáng siêu huỳnh quang ở nhiệt độ phòng. Điều bất thường là ánh sáng phát ra bị dịch chuyển ngược Stokes, nghĩa là nó có bước sóng ngắn hơn (và do đó có năng lượng cao hơn) so với bước sóng của ánh sáng khởi tạo phản ứng – một hiện tượng được gọi là chuyển đổi ngược. Các hạt nano mới, mà nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra trong khi tìm kiếm một hiệu ứng quang học khác, có thể giúp tạo ra các loại bộ đếm thời gian, cảm biến và bóng bán dẫn mới trong các mạch quang học.
Trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Sự phát thải mạnh và nhanh như vậy là hoàn hảo cho nhiều vật liệu tiên phong và nền tảng y học nano”. Song Phương Lâm of Trường Đại Học bang Bắc Carolina nói Thế giới vật lý. “Ví dụ, các hạt nano chuyển đổi ngược (UCNP) đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng sinh học, từ cảm biến sinh học không có tiếng ồn nền, y học nano chính xác và hình ảnh mô sâu, đến sinh học tế bào, sinh lý học thị giác và quang học.”
Bảo vệ các quỹ đạo điện tử
Hiện tượng siêu huỳnh quang xảy ra khi nhiều nguyên tử trong một vật liệu đồng thời phát ra một chùm ánh sáng ngắn, cường độ cao. Hiện tượng quang lượng tử này khác với hiện tượng phát xạ tự phát đẳng hướng hoặc huỳnh quang bình thường, rất khó đạt được ở nhiệt độ phòng và có xu hướng không tồn tại đủ lâu để có ích. Tuy nhiên, UCNP thì khác, thành viên nhóm cho biết băng hàn của Đại học Massachusetts Trường Y khoa Chan. “Trong một UCNP, ánh sáng được phát ra từ 4f các chuyển tiếp điện tử được bảo vệ bởi các quỹ đạo điện tử nằm ở vị trí cao hơn hoạt động như một 'lá chắn', cho phép siêu huỳnh quang ngay cả ở nhiệt độ phòng,” Han giải thích.
Trong công trình mới, nhóm nghiên cứu đã quan sát thấy hiện tượng siêu huỳnh quang ở các ion kết hợp với nhau trong một hạt nano duy nhất của UCNP pha tạp lanthanide được nén bằng neodymium-ion. Không giống như hiện tượng siêu huỳnh quang trong các vật liệu khác, chẳng hạn như tinh thể nano perovskite có trật tự cao hoặc tổ hợp chấm lượng tử bán dẫn sử dụng từng hạt nano làm bộ phát, trong UCNP pha tạp lanthanide, mỗi ion lanthanide trong một hạt nano đơn lẻ là một bộ phát riêng lẻ. “Bộ phát này sau đó có thể tương tác với các ion lanthanide khác để thiết lập sự kết hợp và cho phép siêu huỳnh quang chống dịch chuyển Stokes trong cả tổ hợp hạt nano ngẫu nhiên và trong các tinh thể nano đơn lẻ, có kích thước chỉ 50 nm là môi trường siêu huỳnh quang nhỏ nhất từng được tạo ra,” Lim nói.
Đồng bộ hóa thành một trạng thái vĩ mô gắn kết
“Sự siêu huỳnh quang đến từ sự phối hợp vĩ mô của các pha phát xạ của các ion bị kích thích trong hạt nano sau khi năng lượng kích thích được lắng đọng,” Kory Green, thành viên nhóm nghiên cứu cho biết thêm. “Một xung laser kích thích các ion bên trong hạt nano và những trạng thái đó ban đầu không được tổ chức chặt chẽ.
“Để xảy ra hiện tượng siêu huỳnh quang, tập hợp ban đầu các ion vô tổ chức đó phải đồng bộ hóa thành trạng thái vĩ mô gắn kết trước khi phát xạ. Để tạo thuận lợi cho sự phối hợp này, cấu trúc của tinh thể nano và mật độ của các ion neodymium phải được lựa chọn cẩn thận.”
Các hạt nano chuyển đổi cho phép chuột nhìn thấy trong tia hồng ngoại
Khám phá mà nhóm báo cáo trong Thiên nhiên Photonics, được tạo ra một cách tình cờ trong khi Lim và các đồng nghiệp đang cố gắng tạo ra các vật liệu phát laze – nghĩa là các vật liệu trong đó ánh sáng phát ra từ một nguyên tử kích thích một nguyên tử khác phát ra nhiều ánh sáng giống như vậy. Thay vào đó, họ quan sát thấy hiện tượng siêu huỳnh quang, trong đó các nguyên tử không đồng bộ ban đầu sắp xếp thẳng hàng, sau đó phát ra ánh sáng cùng nhau.
Lim cho biết: “Khi chúng tôi kích thích vật liệu ở các cường độ laser khác nhau, chúng tôi thấy rằng nó phát ra ba xung siêu huỳnh quang ở những khoảng thời gian đều đặn cho mỗi lần kích thích. “Và các xung không suy giảm – mỗi xung dài 2 nano giây. Vì vậy, UCNP không chỉ thể hiện siêu huỳnh quang ở nhiệt độ phòng, mà nó còn thể hiện theo cách có thể kiểm soát được. Điều này có nghĩa là các tinh thể có thể được sử dụng làm bộ đếm thời gian, cảm biến thần kinh hoặc bóng bán dẫn quang học trên các mạch tích hợp quang tử chẳng hạn.”
