La recherche du NCSU pourrait signifier des micropuces plus rapides et des applications informatiques quantiques
Date publiée:Les chercheurs cherchant à synthétiser une nanoparticule plus brillante et plus stable pour des applications optiques ont découvert que leur création présentait plutôt une propriété plus surprenante : des éclats de superfluorescence se produisant à la fois à température ambiante et à intervalles réguliers. Ces travaux pourraient conduire au développement de micropuces, de neurocapteurs ou de matériaux plus rapides destinés à être utilisés dans des applications d’informatique quantique, ainsi qu’à un certain nombre d’études biologiques.
La superfluorescence se produit lorsque les atomes d’un matériau se synchronisent et émettent simultanément un éclat de lumière court mais intense. Cette propriété est précieuse pour les applications d’optique quantique, mais extrêmement difficile à réaliser à température ambiante et pendant des intervalles suffisamment longs pour être utile.
Le matériau en question – une nanoparticule de conversion ascendante dopée au lanthanide, ou UCNP – a été synthétisé par l’équipe de recherche dans le but de créer un matériau optique « plus brillant ». Ils ont produit des cristaux de céramique hexagonaux allant de 50 nanomètres (nm) à 500 nm et ont commencé à tester leurs propriétés laser, ce qui a abouti à plusieurs avancées impressionnantes.
Le processus permettant d’obtenir une superflorescence à température ambiante est présenté dans un nouvel article paru dans Nature Photonics. (Image via NCSU)
Les chercheurs recherchaient initialement le laser, où la lumière émise par un atome en stimule un autre pour qu'il émette davantage de la même lumière. Cependant, ils ont plutôt découvert la superfluorescence, où tous les atomes s’alignent d’abord, puis émettent ensemble.
"Lorsque nous avons excité le matériau à différentes intensités laser, nous avons constaté qu'il émettait trois impulsions de superfluorescence à intervalles réguliers pour chaque excitation", explique Shuang Fang Lin, professeur agrégé de physique à la North Carolina State University et co-auteur de la recherche. . « Et les impulsions ne se dégradent pas – chaque impulsion dure 2 nanosecondes. Ainsi, non seulement l’UCNP présente une superfluorescence à température ambiante, mais elle le fait d’une manière qui peut être contrôlée. »
La superfluorescence à température ambiante est difficile à obtenir car il est difficile pour les atomes d'émettre ensemble sans être « désalignés » par l'environnement. Dans un UCNP, cependant, la lumière provient d'orbitales électroniques « enfouies » sous d'autres électrons, qui agissent comme un bouclier et permettent la superfluorescence même à température ambiante.
De plus, la superfluorescence de l'UCNP est technologiquement intéressante car elle est décalée anti-Stokes, ce qui signifie que les longueurs d'onde de lumière émises sont plus courtes et d'une énergie plus élevée que les longueurs d'onde qui déclenchent la réponse.
"De telles émissions de superfluorescence anti-Stokes intenses et rapides sont parfaites pour de nombreux matériaux pionniers et plates-formes de nanomédecine", déclare Gang Han, professeur de biochimie et de biotechnologie moléculaire à la Chan Medical School de l'Université du Massachusetts et auteur co-correspondant de la recherche. « Par exemple, les UCNP ont été largement utilisées dans des applications biologiques allant de la biodétection sans bruit de fond, à la nanomédecine de précision et à l'imagerie des tissus profonds, en passant par la biologie cellulaire, la physiologie visuelle et l'optogénétique.
« Cependant, l’un des défis des applications UCNP actuelles est leur émission lente, qui rend souvent la détection complexe et sous-optimale. Mais la vitesse de la superfluorescence anti-Stokes change complètement la donne : 10 000 fois plus rapide que la méthode actuelle. Nous pensons que cette nanoparticule de superfluorescence offre une solution révolutionnaire à la bioimagerie et aux photothérapies qui attendent une source de lumière propre, rapide et intensive.
Les qualités uniques de l'UCNP pourraient conduire à son utilisation dans de nombreuses applications.
« Premièrement, le fonctionnement à température ambiante rend les applications beaucoup plus faciles », explique Lim. « Et à 50 nm, il s’agit du plus petit milieu superfluorescent existant actuellement. Puisque nous pouvons contrôler les impulsions, nous pourrions utiliser ces cristaux comme minuteries, neurocapteurs ou transistors sur puces électroniques, par exemple. Et des cristaux plus gros pourraient nous permettre de mieux contrôler les impulsions.
L'article intitulé « Room Temperature Upconverted Superfluorescence » apparaît dans Photonique naturelle. La recherche a été financée par le Bureau de recherche de l’armée américaine sous le numéro W911NF2110283. Kai Huang, chercheur postdoctoral à la faculté de médecine UMass Chan, est le premier auteur.
(C) NCSU
Source originale de l’article : WRAL TechWire