Naturligt isolerende materiale udsender pulser af superfluorescerende lys ved stuetemperatur

Forskere, der søgte at syntetisere en lysere og mere stabil nanopartikel til optiske applikationer, fandt ud af, at deres skabelse i stedet udviste en mere overraskende egenskab:udbrud af superfluorescens, der opstod ved både stuetemperatur og regelmæssige intervaller. Arbejdet kan føre til udvikling af hurtigere mikrochips, neurosensorer eller materialer til brug i kvantecomputerapplikationer samt en række biologiske undersøgelser.

Superfluorescens opstår, når atomer i et materiale synkroniseres og samtidig udsender et kort, men intenst lysudbrud. Egenskaben er værdifuld til kvanteoptiske applikationer, men ekstremt vanskelig at opnå ved stuetemperatur og i intervaller, der er lange nok til at være nyttige.

Det pågældende materiale - lanthanid-doteret upconversion nanopartikel eller UCNP - blev syntetiseret af forskerholdet i et forsøg på at skabe et "lysere" optisk materiale. De producerede sekskantede keramiske krystaller fra 50 nanometer (nm) til 500 nm i størrelse og begyndte at teste deres laseregenskaber, hvilket resulterede i flere imponerende gennembrud.

Forskerne ledte oprindeligt efter lasering, hvor lys udsendt fra et atom stimulerer et andet til at udsende mere af det samme lys. De fandt dog i stedet for superfluorescens, hvor først alle atomerne retter sig ind, og derefter udsender sammen.

"Da vi exciterede materialet ved forskellige laserintensiteter, fandt vi ud af, at det udsender tre pulser af superfluorescens med regelmæssige intervaller for hver excitation," siger Shuang Fang Lin, lektor i fysik ved North Carolina State University og medkorresponderende forfatter til forskningen . "Og pulserne nedbrydes ikke - hver puls er 2 nanosekunder lang. Så ikke kun udviser UCNP superfluorescens ved stuetemperaturer, det gør det på en måde, der kan kontrolleres."

Stuetemperatur superfluorescens er svær at opnå, fordi det er svært for atomerne at udsende sammen uden at blive "sparket" ud af justering af omgivelserne. I en UCNP kommer lyset imidlertid fra elektronorbitaler "begravet" under andre elektroner, som fungerer som et skjold og tillader superfluorescens selv ved stuetemperatur.

Derudover er UCNP's superfluorescens teknologisk spændende, fordi den er anti-Stokes forskudt, hvilket betyder, at de udsendte bølgelængder af lys er kortere og højere energi end de bølgelængder, der initierer responsen.

"Sådan intense og hurtige anti-Stokes shift-superfluorescensemissioner er perfekte til adskillige banebrydende materialer og nanomedicinske platforme," siger Gang Han, professor i biokemi og molekylær bioteknologi ved University of Massachusetts Chan Medical School og co-korresponderende forfatter til forskningen. "For eksempel er UCNP'erne blevet meget brugt i biologiske applikationer lige fra baggrundsstøjfri biosensing, præcision nanomedicin og dybvævsbilleddannelse til cellebiologi, visuel fysiologi og optogenetik.

"Men en udfordring for nuværende UCNP-applikationer er deres langsomme emission, hvilket ofte gør detektion kompleks og suboptimal. Men hastigheden af ​​anti-Stokes shift superfluorescens er en komplet game changer:10.000 gange hurtigere end den nuværende metode. Vi mener, at denne superfluorescens nanopartikel giver en revolutionerende løsning til bioimaging og fototerapier, der afventer en ren, hurtig og intensiv lyskilde."

UCNP's unikke kvaliteter kan føre til, at det bruges i adskillige applikationer.

"For det første gør drift ved stuetemperatur applikationer meget lettere," siger Lim. "Og ved 50 nm er dette det mindste superfluorescerende medium, der findes i øjeblikket. Da vi kan styre pulserne, kunne vi bruge disse krystaller som timere, neurosensorer eller transistorer på mikrochips, for eksempel. Og større krystaller kunne give os endnu bedre kontrol over pulserne."

Papiret "Room Temperature Upconverted Superfluorescence" vises i Nature Photonics . + Udforsk yderligere

Almindelig perovskit superfluorescerer ved høje temperaturer