北卡羅來納州立大學的研究可能意味著更快的微晶片、量子運算應用
發布日期：研究人員希望合成一種更亮、更穩定的奈米粒子用於光學應用，但他們發現，他們的創造反而表現出更令人驚訝的特性：在室溫和定期間隔下都會發生超螢光爆發。這項工作可能會導致更快的微晶片、神經感測器或用於量子計算應用以及許多生物學研究的材料的開發。
當材料內的原子同步並同時發出短暫但強烈的光時，就會發生超螢光。此特性對於量子光學應用很有價值，但在室溫下且在足夠長的時間間隔內很難實現。
研究團隊合成了所討論的材料——鑭系元素摻雜上轉換奈米顆粒（UCNP），旨在創造一種「更亮」的光學材料。他們生產了尺寸從 50 奈米 (nm) 到 500 nm 的六方陶瓷晶體，並開始測試其雷射特性，取得了幾項令人印象深刻的突破。
《自然光子學》的一篇新論文展示了在室溫下實現超級花的過程。 （圖片來自北卡羅來納州立大學）
研究人員最初正在尋找激光，即一個原子發出的光刺激另一個原子發出更多相同的光。然而，他們卻發現了超螢光，首先所有原子對齊，然後一起發射。
「當我們以不同的雷射強度激發材料時，我們發現每次激發都會定期發出三個超螢光脈衝，」北卡羅來納州立大學物理學副教授、該研究的共同通訊作者林雙芳說。 「而且脈衝不會退化——每個脈衝長 2 奈秒。因此，UCNP 不僅在室溫下表現出超螢光，而且它的表現方式是可以控制的。
室溫超螢光很難實現，因為原子很難一起發射而不被周圍環境「踢」出排列。然而，在 UCNP 中，光來自「埋藏」在其他電子下方的電子軌道，這些電子軌道充當屏蔽，即使在室溫下也能產生超螢光。
此外，UCNP 的超螢光技術在技術上令人興奮，因為它是反斯托克斯位移的，這意味著發射的光波長比引發反應的波長更短且能量更高。
「如此強烈且快速的反斯托克斯位移超螢光發射非常適合眾多開創性材料和奈米醫學平台，」馬薩諸塞大學陳醫學院生物化學和分子生物技術教授、該研究的共同通訊作者 Gang Han 說。 「例如，UCNP 已廣泛應用於生物應用，從無背景噪音生物感測、精密奈米醫學和深層組織成像，到細胞生物學、視覺生理學和光遺傳學。
「然而，目前 UCNP 應用面臨的一個挑戰是它們的緩慢發射，這通常使檢測變得複雜且不理想。但反斯托克斯位移超螢光的速度完全改變了遊戲規則：比目前方法快 10,000 倍。我們相信，這種超螢光奈米顆粒為生物成像和光療提供了革命性的解決方案，需要清潔、快速和強的光源。
UCNP 的獨特品質可能導致其在眾多應用中被使用。
「首先，室溫操作使應用變得更加容易，」Lim 說。 「在 50 nm 波長下，這是目前存在的最小的超螢光介質。由於我們可以控制脈衝，因此我們可以將這些晶體用作定時器、神經感測器或微晶片上的電晶體等。更大的晶體可以讓我們更好地控制脈衝。
論文「室溫轉換超螢光」出現在 自然光子學。該研究得到了美國陸軍研究辦公室 W911NF2110283 的支持。麻省大學陳醫學院博士後研究員 Kai Huang 是第一作者。
(C) 北卡羅來納州立大學
原文來源： WRAL 技術線