מחקר NCSU יכול להיות מיקרו-שבבים מהירים יותר, יישומי מחשוב קוונטי
תאריך פרסום:חוקרים שחיפשו לסנתז ננו-חלקיק בהיר ויציב יותר עבור יישומים אופטיים מצאו כי היצירה שלהם הראתה במקום תכונה מפתיעה יותר: התפרצויות של פלואורסצנטיות-על שהתרחשו בטמפרטורת החדר ובמרווחים קבועים. העבודה עשויה להוביל לפיתוח של שבבים מהירים יותר, חיישנים עצביים או חומרים לשימוש ביישומי מחשוב קוונטי, כמו גם למספר מחקרים ביולוגיים.
פלואורסצנטי-על מתרחש כאשר אטומים בתוך חומר מסתנכרנים ובו זמנית פולטים פרץ אור קצר אך אינטנסיבי. המאפיין הוא בעל ערך עבור יישומים אופטיים קוונטיים, אך קשה ביותר להשגה בטמפרטורות החדר ובמרווחים ארוכים מספיק כדי להיות שימושיים.
החומר המדובר - ננו-חלקיק מעלה המרה עם לנטאניד, או UCNP - סונתז על ידי צוות המחקר במאמץ ליצור חומר אופטי "בהיר" יותר. הם ייצרו גבישי קרמיקה משושה בגודל של 50 ננומטר (ננומטר) עד 500 ננומטר והחלו לבדוק את תכונות הלייזר שלהם, מה שהביא למספר פריצות דרך מרשימות.
התהליך להשגת תפרחת על בטמפרטורת החדר מוצג במאמר חדש ב- Nature Photonics. (תמונה דרך NCSU)
החוקרים חיפשו בתחילה לייזר, שבו אור הנפלט מאטום אחד מגרה אחר לפלוט יותר מאותו אור. עם זאת, במקום זאת הם מצאו סופרפלואורסצנטי, שבו תחילה כל האטומים מתיישרים, ואז פולטים יחד.
"כאשר ריגנו את החומר בעוצמות לייזר שונות, גילינו שהוא פולט שלושה פולסים של על-פלואורסצנטי במרווחי זמן קבועים עבור כל עירור", אומר שואנג פאנג לין, פרופסור חבר לפיזיקה באוניברסיטת צפון קרוליינה סטייט ומחבר שותף למחקר . "והפולסים לא מתכלים - כל דופק הוא באורך 2 ננו-שניות. אז לא רק שה-UCNP מפגין סופרפלואורסצנטי בטמפרטורת החדר, הוא עושה זאת באופן שניתן לשלוט בו."
קשה להשיג סופרפלואורסצנטי בטמפרטורת החדר מכיוון שקשה לאטומים לפלוט יחד מבלי "להימחק" מהסביבה. ב-UCNP, לעומת זאת, האור מגיע מאורביטלים של אלקטרונים 'קבורים' מתחת לאלקטרונים אחרים, שפועלים כמגן ומאפשרים פלואורסצנטי-על אפילו בטמפרטורת החדר.
בנוסף, פלואורסנצית העל של UCNP מרגשת מבחינה טכנולוגית מכיוון שהיא מוסטת נגד סטוק, כלומר אורכי הגל הנפלטים של האור קצרים וגבוהים יותר מאורכי הגל שמתחילים את התגובה.
"פליטות סופר-פלואורסצנטיות סופר-פלואורסיביות אינטנסיביות ומהירות אנטי-סטוק מושלמות עבור מספר רב של חומרים פורצי דרך ופלטפורמות ננו-רפואה", אומר גנג האן, פרופסור לביוכימיה וביוטכנולוגיה מולקולרית בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת מסצ'וסטס, ומחבר שותף למחקר. "לדוגמה, ה-UCNPs היו בשימוש נרחב ביישומים ביולוגיים, החל מביו-סנסינג ללא רעשי רקע, ננו-רפואה מדויקת והדמיה של רקמות עמוקות, ועד ביולוגיה של תאים, פיזיולוגיה חזותית ואופטוגנטיקה.
"עם זאת, אחד האתגרים ליישומי UCNP הנוכחיים הוא הפליטה האיטית שלהם, מה שהופך לעתים קרובות את הזיהוי למורכב ולא אופטימלי. אבל המהירות של העל-פלואורזנס אנטי-סטוקס היא מחליף משחק מוחלט: מהיר פי 10,000 מהשיטה הנוכחית. אנו מאמינים שננו-חלקיק העל-פלואורסצנטי הזה מספק פתרון מהפכני להדמיה ביולוגית ופוטותרפיה הממתינים למקור אור נקי, מהיר ואינטנסיבי".
התכונות הייחודיות של UCNP יכולות להוביל לשימוש שלה ביישומים רבים.
"ראשית, הפעולה בטמפרטורת החדר הופכת את היישומים להרבה יותר קלים", אומר לים. "וב-50 ננומטר, זוהי המדיה העל-פלורסנטית הקטנה ביותר שקיימת כיום. מכיוון שאנו יכולים לשלוט בפולסים, נוכל להשתמש בגבישים האלה כטיימרים, חיישנים עצביים או טרנזיסטורים על שבבים, למשל. וגבישים גדולים יותר יכולים לתת לנו שליטה טובה עוד יותר על הפולסים."
העיתון, "טמפרטורת חדר מעלה המרה על פלואורסצנטיות", מופיע ב טבע פוטוניקה. המחקר נתמך על ידי משרד המחקר של צבא ארה"ב תחת W911NF2110283. קאי הואנג, חוקר פוסט-דוקטורט בבית הספר לרפואה של UMass Chan, הוא המחבר הראשון.
(ג) NCSU
מקור המאמר המקורי: WRAL TechWire