Foton opkonvertering:Styrelys med superkritisk kobling

Forskere fra National University of Singapore og deres samarbejdspartnere har afsløret et nyt koncept kaldet "superkritisk kobling", der muliggør en flere gange stigning i foton opkonverteringseffektivitet. Denne opdagelse udfordrer ikke kun eksisterende paradigmer, men åbner også en ny retning i styringen af ​​lysemission.

Foton opkonvertering, processen med at konvertere lavenergi-fotoner til højere-energi-fotoner, er en afgørende teknik med brede applikationer, lige fra superopløsningsbilleddannelse til avancerede fotoniske enheder. På trods af betydelige fremskridt har jagten på effektiv foton-opkonvertering stået over for udfordringer på grund af iboende begrænsninger i irradiansen af ​​lanthanid-doterede nanopartikler og de kritiske koblingsbetingelser for optiske resonanser.

Begrebet "superkritisk kobling" spiller en central rolle i håndteringen af ​​disse udfordringer. Denne fundamentalt nye tilgang, foreslået af et forskerhold ledet af professor Liu Xiaogang fra Institut for Kemi, NUS og hans samarbejdspartner, Dr. Gianluigi Zito fra National Research Council of Italy, udnytter fysikken i "bundne tilstande i kontinuummet" ( BIC'er).

BIC'er er fænomener, der gør det muligt for lys at blive fanget i åbne strukturer med teoretisk uendelige levetider, der overskrider grænserne for kritisk kobling. Disse fænomener er forskellige fra lysets sædvanlige adfærd.

Ved at manipulere interaktionen mellem mørke og lyse tilstande inden for disse strukturer, svarende til den klassiske analog af elektromagnetisk induceret transparens, forbedrede forskerne ikke kun det lokale optiske felt, men kontrollerede også præcist retningen af ​​lysemissionen.

Deres resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nature .

Den eksperimentelle validering af superkritisk kobling markerer et betydeligt spring fremad og demonstrerer en stigning i opkonverteringsluminescens på otte størrelsesordener. Den eksperimentelle opsætning involverer en fotonisk krystal nanoplade dækket med opkonverteringsnanopartikler. Disse nanopartikler tjener som mikroskalakilder og lasere.

De unikke egenskaber ved BIC'er, karakteriseret ved ubetydelig lysspredning og mikroskaladimensioner af lyspletterne, blev udnyttet til at opnå præcision i fokusering og retningsbestemt kontrol af det udsendte lys. Dette åbner nye muligheder for at kontrollere lysets tilstand.

Prof Liu sagde:"Dette gennembrud er ikke kun en grundlæggende opdagelse, men repræsenterer et paradigmeskift inden for nanofotonik, der ændrer vores forståelse af lysmanipulation på nanoskala. Implikationerne af superkritisk kobling strækker sig ud over foton-opkonvertering og tilbyder potentielle fremskridt inden for kvante. fotonik og forskellige systemer baseret på koblede resonatorer."

"Når forskersamfundet kæmper med implikationerne af dette arbejde, står døren åben til en fremtid, hvor lys, et af de mest fundamentale elementer i vores univers, kan kontrolleres med uovertruffen præcision og effektivitet," tilføjede professor Liu.

Flere oplysninger: Chiara Schiattarella et al, Direktiv kæmpe opkonvertering ved superkritisk bundne tilstande i kontinuum, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06967-9

Journaloplysninger: Natur

Leveret af National University of Singapore