Onderzoekers van Columbia Engineering melden vandaag dat ze het eerste nanomateriaal hebben ontwikkeld dat "foton lawine, " een proces dat ongeëvenaard is in zijn combinatie van extreem niet-lineair optisch gedrag en efficiëntie. De realisatie van fotonenlawine in nanodeeltjesvorm opent een groot aantal gewilde toepassingen, van optische microscopie met superresolutie in realtime, nauwkeurige temperatuur- en omgevingsdetectie, en infrarood lichtdetectie, naar optische analoog-naar-digitaal conversie en kwantumdetectie.

"Niemand heeft eerder lawinegedrag gezien in nanomaterialen, " zei James Schuck, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, die de studie leidde die vandaag is gepubliceerd door Natuur . "We hebben deze nieuwe nanodeeltjes bestudeerd op het niveau van één nanodeeltje, waarmee we kunnen aantonen dat lawinegedrag kan voorkomen in nanomaterialen. Deze voortreffelijke gevoeligheid kan ongelooflijk transformerend zijn. Bijvoorbeeld, stel je voor dat we veranderingen in onze chemische omgeving zouden kunnen voelen, zoals variaties in of de feitelijke aanwezigheid van moleculaire soorten. Misschien kunnen we zelfs het coronavirus en andere ziekten opsporen."

Lawineprocessen - waarbij een cascade van gebeurtenissen wordt veroorzaakt door een reeks kleine verstoringen - worden aangetroffen in een breed scala aan verschijnselen buiten sneeuwverschuivingen, inclusief het knallen van champagnebellen, nucleaire explosies, laseren, neuronale netwerken, en zelfs financiële crises. Lawine is een extreem voorbeeld van een niet-lineair proces, waarbij een verandering in input of excitatie leidt tot een onevenredige, vaak onevenredig grote verandering in het uitgangssignaal. Voor het efficiënt genereren van niet-lineaire optische signalen zijn meestal grote hoeveelheden materiaal nodig. en dit was ook het geval geweest voor fotonenlawines, tot nu.

op het gebied van optica, foton lawine is het proces waarbij de absorptie in een kristal van een enkel foton resulteert in de emissie van vele. Onderzoekers hebben fotonenlawines gebruikt in gespecialiseerde lasers, waar de fotonabsorptie een kettingreactie van optische gebeurtenissen in gang zet die uiteindelijk leiden tot efficiënte laserwerking.

Van bijzonder belang voor onderzoekers is dat de absorptie van slechts een enkel foton niet alleen leidt tot een groot aantal uitgezonden fotonen, maar ook tot een verrassende eigenschap:de uitgezonden fotonen worden "opgeconverteerd, " elk hoger in energie (blauwer van kleur) dan het enkele geabsorbeerde foton. Wetenschappers kunnen golflengten in het infrarode gebied van het optische spectrum gebruiken om grote hoeveelheden fotonen met hogere energie te creëren die veel beter zijn in het induceren van gewenste chemische veranderingen, zoals het doden van kankercellen - op gerichte locaties diep in het weefsel, waar de lawine-nanodeeltjes zich ook bevinden.

Het gedrag van fotonlawines (PA) trok meer dan 40 jaar geleden veel belangstelling toen onderzoekers erkenden dat de extreme niet-lineariteit ervan een brede impact zou kunnen hebben op tal van technologieën, van efficiënte upconverting lasers tot fotonica, optische sensoren, en nachtkijkers. PA-gedrag is vergelijkbaar met dat van een transistor in de elektronica, waarbij een kleine verandering in een ingangsspanning resulteert in een grote verandering in uitgangsstroom, het verstrekken van de versterking die nodig is voor de werking van bijna alle elektronische apparaten. PA stelt bepaalde materialen in staat om in wezen als optische transistoren te functioneren.

PA is bijna uitsluitend onderzocht in op lanthanide (Ln) gebaseerde materialen vanwege hun unieke optische eigenschappen waardoor ze optische energie relatief lang kunnen opslaan. Echter, het bereiken van PA in Ln-systemen was moeilijk - het vereist coöperatieve interacties tussen veel Ln-ionen, terwijl ook verliespaden worden gematigd, en is dus beperkt tot bulkmaterialen en aggregaten, vaak bij lage temperaturen.

Deze beperkingen hebben de fundamentele studie en het gebruik van PA gedegradeerd tot een nicherol in de fotonische wetenschap, en hebben ertoe geleid dat onderzoekers zich de afgelopen tien jaar bijna uitsluitend hebben gericht op andere opwaarderingsmechanismen bij de ontwikkeling van materialen, ondanks de ongeëvenaarde voordelen die PA biedt.

In deze nieuwe studie Schuck en zijn internationale team van medewerkers, waaronder de groepen Bruce Cohen en Emory Chan (The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Lab), Artur Bednarkiewicz (Poolse Academie van Wetenschappen), en Yung Doug Suh (Korea Research Institute of Chemical Technology en Sungkyunkwan University), toonde aan dat door het implementeren van enkele belangrijke innovaties in het ontwerp van nanodeeltjes, zoals geselecteerde lanthanide-inhouden en soorten, ze konden met succes nieuwe 20nm-nanokristallen synthetiseren die de lawine van fotonen en de extreme niet-lineariteit ervan aantonen.

Het team merkte op dat de niet-lineaire optische respons in deze lawine-nanodeeltjes schaalt als de 26e macht van de intensiteit van invallend licht - een verandering van 10% in invallend licht veroorzaakt meer dan 1000% verandering in uitgestraald licht. Deze niet-lineariteit is veel groter dan eerder gerapporteerde reacties in lanthanide-nanokristallen. Deze buitengewone reactie betekent dat de lawine-nanodeeltjes (ANP's) veelbelovend zijn als sensoren, aangezien een kleine verandering in de lokale omgeving ertoe kan leiden dat de deeltjes 100-10 uitstoten, 000 keer helderder. De onderzoekers ontdekten ook dat deze gigantische niet-lineaire respons in ANP's diepe optische beeldvorming onder de golflengte mogelijk maakt (waarbij de ANP's worden gebruikt als luminescente sondes, of contrastmiddelen), met alleen eenvoudige scanning confocale microscopie.

"De ANP's stellen ons in staat om de resolutie-diffractielimiet voor optische microscopie met een aanzienlijke marge te verslaan, en ze doen het in wezen gratis, vanwege hun sterk niet-lineaire gedrag, ’ legt Schuck uit.

De hoofdauteur van de studie, Changhwan Lee, wie is een Ph.D. student in de groep van Schuck, voegt toe, "De extreme niet-lineariteit in een enkele ANP transformeert een conventionele confocale microscoop in het nieuwste beeldvormingssysteem met superresolutie."

Schuck en zijn team werken nu aan het gebruik van dit ongekende niet-lineaire gedrag voor het waarnemen van veranderingen in de omgeving, zoals temperatuurschommelingen, druk, vochtigheid, met een gevoeligheid die nog niet haalbaar is.

"We zijn erg enthousiast over onze bevindingen, ", zegt Schuck. "We verwachten dat ze zullen leiden tot allerlei revolutionaire nieuwe toepassingen in sensing, in beeld brengen, en lichtdetectie. Ze kunnen ook cruciaal blijken te zijn in toekomstige chips voor optische informatieverwerking, met ANP's die de versterkerachtige respons en kleine ruimtelijke voetafdruk bieden die typisch zijn voor een enkele transistor in een elektronisch circuit."

De studie is getiteld "Giant non-linear optische responsen van foton lawine nanodeeltjes."