NCSU-onderzoek zou snellere microchips en kwantumcomputertoepassingen kunnen betekenen
Datum gepubliceerd:Onderzoekers die een helderder en stabieler nanodeeltje voor optische toepassingen wilden synthetiseren, ontdekten dat hun creatie in plaats daarvan een meer verrassende eigenschap vertoonde: uitbarstingen van superfluorescentie die zowel bij kamertemperatuur als met regelmatige tussenpozen plaatsvonden. Het werk zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van snellere microchips, neurosensoren of materialen voor gebruik in kwantumcomputertoepassingen, evenals tot een aantal biologische onderzoeken.
Superfluorescentie treedt op wanneer atomen in een materiaal synchroniseren en tegelijkertijd een korte maar intense lichtflits 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 – lanthanide-gedoteerd opwaarts conversie-nanodeeltje, of UCNP – werd door het onderzoeksteam gesynthetiseerd in een poging 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.
Het proces voor het bereiken van superflorescentie bij kamertemperatuur wordt getoond in een nieuw artikel in Nature Photonics. (Afbeelding via NCSU)
De onderzoekers waren aanvankelijk op zoek naar laserwerking, waarbij licht dat door het ene atoom wordt uitgezonden, het andere 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 uitstoten.
“Toen we het materiaal met verschillende laserintensiteiten aansloegen, ontdekten we dat het voor elke excitatie met regelmatige tussenpozen drie superfluorescentiepulsen uitzendt”, zegt Shuang Fang Lin, universitair hoofddocent natuurkunde aan de North Carolina State University en co-corresponderend auteur van het onderzoek. . “En de pulsen worden niet slechter: elke puls is 2 nanoseconden lang. De UCNP vertoont dus niet alleen superfluorescentie bij kamertemperatuur, maar ook op een manier die gecontroleerd kan worden.”
Superfluorescentie bij kamertemperatuur is moeilijk te bereiken omdat het voor de atomen moeilijk is om samen uit te zenden zonder door de omgeving uit hun lijn te worden 'geschopt'. In een UCNP komt het licht echter van elektronenorbitalen die 'begraven' zijn onder andere elektronen, die als schild fungeren en zelfs bij kamertemperatuur superfluorescentie mogelijk maken.
Bovendien is de superfluorescentie van UCNP technologisch opwindend omdat deze anti-Stokes-shifted is, wat betekent dat de uitgezonden golflengten van licht korter zijn en een hogere energie hebben 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-corresponderend auteur van het onderzoek. “De UCNP’s zijn bijvoorbeeld op grote schaal gebruikt in biologische toepassingen, variërend van achtergrondruisvrije biosensoren, precisie-nanogeneeskunde en deep-tissue imaging, 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 gamechanger: 10.000 keer sneller dan de huidige methode. Wij geloven dat dit superfluorescentie-nanodeeltje een revolutionaire oplossing biedt voor bio-imaging en fototherapieën die wachten op een schone, snelle en intensieve lichtbron.”
De unieke kwaliteiten van UCNP zouden kunnen leiden tot het gebruik ervan in tal van toepassingen.
“Ten eerste maakt de werking bij kamertemperatuur toepassingen veel eenvoudiger”, zegt Lim. “En bij 50 nm is dit het kleinste superfluorescerende medium dat momenteel bestaat. Omdat we de pulsen kunnen controleren, kunnen we deze kristallen bijvoorbeeld gebruiken als timers, neurosensoren of transistors op microchips. En grotere kristallen zouden ons een nog betere controle over de pulsen kunnen geven.”
Het artikel, ‘Room Temperature Upconverted Superfluorescentie’, verschijnt in Natuur Fotonica. Het onderzoek werd ondersteund door het US Army Research Office onder W911NF2110283. Kai Huang, postdoctoraal onderzoeker aan de UMass Chan Medical School, is eerste auteur.
(C) NCSU
Originele artikelbron: WRAL TechWire