Ingeniører observerer laviner i nanopartikler for første gang

Forskere ved Columbia Engineering rapporterer i dag, at de har udviklet det første nanomateriale, der demonstrerer "fotonlavning, "en proces, der er uovertruffen i sin kombination af ekstrem ikke-lineær optisk adfærd og effektivitet. Realiseringen af ​​foton lavinering i nanopartikelform åbner op for et væld af eftertragtede applikationer, fra optisk mikroskopi med superopløsning i realtid, præcis temperatur- og miljøføling, og infrarødt lysdetektion, til optisk analog-til-digital konvertering og kvanteregistrering.

"Ingen har set lavineadfærd som denne i nanomaterialer før, " sagde James Schuck, lektor i maskinteknik, der ledede undersøgelsen offentliggjort i dag af Natur . "Vi studerede disse nye nanopartikler på enkelt-nanopartikelniveau, giver os mulighed for at bevise, at lavineadfærd kan forekomme i nanomaterialer. Denne udsøgte følsomhed kunne være utroligt transformerende. For eksempel, tænk hvis vi kunne mærke ændringer i vores kemiske omgivelser, som variationer i eller den faktiske tilstedeværelse af molekylære arter. Vi kan endda være i stand til at opdage coronavirus og andre sygdomme."

Lavineprocesser - hvor en kaskade af begivenheder udløses af en række små forstyrrelser - findes i en lang række fænomener ud over sneskred, inklusive sprængning af champagnebobler, atomeksplosioner, lasing, neuronale netværk, og endda finansielle kriser. Avalanching er et ekstremt eksempel på en ikke-lineær proces, hvor en ændring i input eller excitation fører til en uforholdsmæssig – ofte uforholdsmæssig stor – ændring i outputsignal. Store mængder materiale er normalt nødvendige for effektiv generering af ikke-lineære optiske signaler, og dette havde også været tilfældet for lavning af fotoner, indtil nu.

I optik, foton lavinering er den proces, hvor absorptionen i en krystal af en enkelt foton resulterer i emission af mange. Forskere har brugt fotonlavning i specialiserede lasere, hvor fotonabsorptionen sætter gang i en kædereaktion af optiske hændelser, der i sidste ende fører til effektiv lasering.

Særligt bemærkelsesværdigt for forskere er, at absorptionen af ​​blot en enkelt foton ikke kun fører til et stort antal udsendte fotoner, men også til en overraskende egenskab:de udsendte fotoner "opkonverteres, " hver enkelt højere i energi (blåere i farven) end den enkelt absorberede foton. Forskere kan bruge bølgelængder i det infrarøde område af det optiske spektrum til at skabe store mængder af højere-energi fotoner, der er meget bedre til at inducere ønskede kemiske ændringer - som f.eks. dræber kræftceller - på målrettede steder dybt inde i væv, hvor som helst de lavinerende nanopartikler er placeret.

Photon avalanching (PA) adfærd vakte stor interesse for mere end 40 år siden, da forskere erkendte, at dens ekstreme ikke-linearitet bredt kunne påvirke adskillige teknologier, fra effektive opkonverterende lasere til fotonik, optiske sensorer, og nattesynsapparater. PA-adfærd ligner den for en transistor i elektronik, hvor en lille ændring i en indgangsspænding resulterer i en stor ændring i udgangsstrømmen, leverer den forstærkning, der er nødvendig for driften af ​​næsten alle elektroniske enheder. PA gør det muligt for visse materialer at fungere i det væsentlige som optiske transistorer.

PA er næsten udelukkende blevet undersøgt i lanthanid (Ln)-baserede materialer på grund af deres unikke optiske egenskaber, der tillader dem at lagre optisk energi i relativt lang tid. Imidlertid, at opnå PA i Ln-systemer har været vanskeligt - det kræver samarbejdsinteraktioner mellem mange Ln-ioner, mens det også modererer tabsveje, og har således været begrænset til bulkmaterialer og aggregater, ofte ved lave temperaturer.

Disse begrænsninger har henvist den grundlæggende undersøgelse og brug af PA til en nicherolle i fotonisk videnskab, og har fået forskere til at fokusere næsten udelukkende i løbet af det sidste årti på andre opkonverteringsmekanismer i materialeudvikling, på trods af de uovertrufne fordele, som PA tilbyder.

I denne nye undersøgelse, Schuck og hans internationale team af samarbejdspartnere, herunder grupperne af Bruce Cohen og Emory Chan (The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Lab), Artur Bednarkiewicz (det polske videnskabsakademi), og Yung Doug Suh (Korea Research Institute of Chemical Technology og Sungkyunkwan University), viste, at ved at implementere nogle vigtige nanopartikeldesigninnovationer, såsom udvalgt lanthanidindhold og arter, de kunne med succes syntetisere nye 20nm nanokrystaller, der demonstrerer fotonlavning og dens ekstreme ikke-linearitet.

Holdet observerede, at den ikke-lineære optiske respons i disse lavinerende nanopartikler skalerer som 26. potens af den indfaldende lysintensitet - en 10% ændring i indfaldende lys forårsager mere end en 1000% ændring i udsendt lys. Denne ikke-linearitet overstiger langt de tidligere rapporterede svar i lanthanid nanokrystaller. Denne ekstraordinære reaktion betyder, at de lavinerende nanopartikler (ANP'er) viser meget lovende som sensorer, da en lille ændring i det lokale miljø kan føre til, at partiklerne udsender 100-10, 000 gange lysere. Forskerne fandt også ud af, at denne gigantiske ikke-lineære respons i ANP'er muliggør optisk billeddannelse med dybt underbølgelængde (med ANP'erne brugt som selvlysende prober, eller kontrastmidler), kun ved hjælp af simpel scanning konfokal mikroskopi.

"ANP'erne giver os mulighed for at slå opløsningsdiffraktionsgrænsen for optisk mikroskopi med en betydelig margin, og de gør det stort set gratis, på grund af deres stejle ikke-lineære adfærd, " forklarer Schuck.

Studiets hovedforfatter Changhwan Lee, der er ph.d. elev i Schucks gruppe, tilføjer, "Den ekstreme ikke-linearitet i en enkelt ANP transformerer et konventionelt konfokalt mikroskop til det nyeste superopløsnings billeddannelsessystem."

Schuck og hans team arbejder nu på, hvordan man bruger denne hidtil usete ikke-lineære adfærd til at fornemme ændringer i miljøet, såsom udsving i temperatur, tryk, fugtighed, med en følsomhed, der endnu ikke har været opnåelig.

"Vi er meget begejstrede for vores resultater, " siger Schuck. "Vi forventer, at de fører til alle slags revolutionerende nye applikationer inden for sansning, billeddannelse, og lysdetektion. De kan også vise sig at være kritiske i fremtidige optiske informationsbehandlingschips, med ANP'er, der giver den forstærkerlignende respons og lille rumlige fodaftryk, der er typisk for en enkelt transistor i et elektronikkredsløb."

Undersøgelsen har titlen "Kæmpe ikke-lineære optiske reaktioner fra foton lavanchende nanopartikler."