Onderzoekers die een helderder en stabieler nanodeeltje wilden synthetiseren voor optische toepassingen, ontdekten dat hun creatie in plaats daarvan een meer verrassende eigenschap vertoonde:uitbarstingen van superfluorescentie die optraden bij zowel kamertemperatuur als regelmatige tussenpozen. Het werk zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van snellere microchips, neurosensoren of materialen voor gebruik in kwantumcomputertoepassingen, evenals tot een aantal biologische studies.

Superfluorescentie treedt op wanneer atomen in een materiaal synchroniseren en tegelijkertijd een korte maar intense lichtstraal uitstralen. De eigenschap is waardevol voor kwantumoptische toepassingen, maar uiterst moeilijk te bereiken bij kamertemperatuur en met intervallen die lang genoeg zijn om bruikbaar te zijn.

Het materiaal in kwestie - met lanthanide gedoteerde upconversie nanodeeltjes, of UCNP - werd door het onderzoeksteam gesynthetiseerd in een poging om een ​​"helderder" optisch materiaal te creëren. Ze produceerden hexagonale keramische kristallen met een grootte van 50 nanometer (nm) tot 500 nm en begonnen hun lasereigenschappen te testen, wat resulteerde in verschillende indrukwekkende doorbraken.

De onderzoekers waren aanvankelijk op zoek naar lasering, waarbij licht van het ene atoom een ​​ander stimuleert om meer van hetzelfde licht uit te zenden. In plaats daarvan vonden ze echter superfluorescentie, waarbij eerst alle atomen op één lijn liggen en vervolgens samen emitteren.

"Toen we het materiaal met verschillende laserintensiteiten opgewonden, ontdekten we dat het drie pulsen van superfluorescentie met regelmatige tussenpozen voor elke excitatie uitzendt", zegt Shuang Fang Lin, universitair hoofddocent natuurkunde aan de North Carolina State University en co-corresponderende auteur van het onderzoek . "En de pulsen verslechteren niet - elke puls is 2 nanoseconden lang. Dus niet alleen vertoont de UCNP superfluorescentie bij kamertemperatuur, het doet dit op een manier die gecontroleerd kan worden."

Superfluorescentie bij kamertemperatuur is moeilijk te bereiken omdat het moeilijk is voor de atomen om samen te emitteren zonder door de omgeving uit de lijn te worden "geschopt". In een UCNP komt het licht echter van elektronenorbitalen die "begraven" zijn onder andere elektronen, die als een schild fungeren en superfluorescentie mogelijk maken, zelfs bij kamertemperatuur.

Bovendien is de superfluorescentie van UCNP technologisch opwindend omdat het anti-Stokes verschoven is, wat betekent dat de uitgezonden golflengten van licht korter en energieker zijn dan de golflengten die de respons initiëren.

"Zulke intense en snelle anti-Stokes shift-superfluorescentie-emissies zijn perfect voor tal van baanbrekende materialen en nanogeneeskundeplatforms", zegt Gang Han, hoogleraar biochemie en moleculaire biotechnologie aan de Chan Medical School van de Universiteit van Massachusetts en co-corresponderende auteur van het onderzoek. "De UCNP's zijn bijvoorbeeld op grote schaal gebruikt in biologische toepassingen, variërend van achtergrondruisvrije biosensing, precisie-nanogeneeskunde en diepe weefselbeeldvorming tot celbiologie, visuele fysiologie en optogenetica.

"Een uitdaging voor de huidige UCNP-toepassingen is echter hun langzame emissie, wat detectie vaak complex en suboptimaal maakt. Maar de snelheid van anti-Stokes shift-superfluorescentie is een complete game changer:10.000 keer sneller dan de huidige methode. Wij geloven dat deze superfluorescentie nanodeeltjes bieden een revolutionaire oplossing voor bio-imaging en fototherapieën die wachten op een schone, snelle en intensieve lichtbron."

De unieke kwaliteiten van UCNP kunnen leiden tot het gebruik ervan in tal van toepassingen.

"Ten eerste maakt de werking op kamertemperatuur toepassingen veel gemakkelijker", zegt Lim. "En bij 50 nm is dit het kleinste superfluorescerende medium dat momenteel bestaat. Omdat we de pulsen kunnen regelen, zouden we deze kristallen kunnen gebruiken als timers, neurosensoren of transistors op microchips, en grotere kristallen zouden ons nog betere controle kunnen geven over de pulsen."

Het artikel, "Room Temperature Upconverted Superfluorescence," verschijnt in Nature Photonics . + Verder verkennen

Gemeenschappelijke perovskiet superfluoresceert bij hoge temperaturen