美国的研究人员已经制造出能够在室温下发射超荧光脉冲的纳米颗粒。 不同寻常的是，发射的光是反斯托克斯位移的，这意味着它的波长比引发响应的光的波长更短（因此能量更高）——这种现象称为上转换。 研究小组在寻找不同的光学效果时发现的新纳米粒子可以在光学电路中创建新型计时器、传感器和晶体管。
“如此强烈和快速的排放非常适合众多开创性材料和纳米医学平台，”团队负责人 林双芳 of 北卡罗来纳州立大学 告诉 物理世界. “例如，上转换纳米粒子 (UCNPs) 已广泛用于生物应用，从无背景噪声生物传感、精密纳米医学和深层组织成像，到细胞生物学、视觉生理学和光遗传学。”
屏蔽电子轨道
当材料中的多个原子同时发出短暂而强烈的光爆发时，就会发生超荧光。 这种量子光学现象不同于各向同性自发发射或正常荧光，在室温下难以实现，并且往往持续时间不够长而无法使用。 然而，UCNPs 是不同的，团队成员说 韩刚 的 马萨诸塞大学陈医学院. “在 UCNP 中，光从 4f 受高位电子轨道保护的电子跃迁，起到‘屏蔽’的作用，即使在室温下也能产生超荧光，”韩解释道。
在这项新工作中，该团队观察到在钕离子压实镧系元素掺杂的 UCNP 的单个纳米颗粒中相互耦合的离子中的超荧光。 与其他材料中的超荧光不同，例如高度有序的钙钛矿纳米晶体或使用每个纳米粒子作为发射体的半导体量子点组件，在镧系元素掺杂的 UCNP 中，单个纳米粒子中的每个镧系元素离子都是一个单独的发射体。 “然后，这种发射器可以与其他镧系元素离子相互作用以建立相干性，并允许在随机纳米粒子组件和单个纳米晶体中产生抗斯托克斯位移超荧光，其尺寸仅为 50 nm，是有史以来最小的超荧光介质，”林说。
同步到有凝聚力的宏观状态
“超荧光来自于激发能量沉积后纳米粒子中激发离子的发射相的宏观协调，”团队成员 Kory Green 补充道。 “激光脉冲激发了纳米粒子内的离子，这些状态一开始并没有连贯地组织起来。
“为了发生超荧光，最初杂乱无章的一组离子必须在发射前同步到具有凝聚力的宏观状态。 为了促进这种协调，必须仔细选择纳米晶体的结构和钕离子的密度。”
上转换纳米粒子让老鼠看到红外线
团队报告的发现 自然光子学“, 是在 Lim 和他的同事们试图制造激光材料时偶然制造的——也就是说，一个原子发射的光刺激另一个原子发射更多相同光的材料。 相反，他们观察到超荧光，其中最初不同步的原子排列，然后一起发光。
“当我们以不同的激光强度激发材料时，我们发现它会在每次激发时定期发射三个超荧光脉冲，”Lim 说。 “而且脉冲不会退化——每个脉冲的长度为 2 纳秒。 因此，UCNP 不仅在室温下表现出超荧光，而且以一种可以控制的方式进行。 例如，这意味着晶体可以用作计时器、神经传感器或光子集成电路上的光学晶体管。”
