“自然绝缘”材料在室温下发射超荧光脉冲

摘要：

       研究人员试图合成一种更明亮、更稳定的纳米颗粒，用于光学应用，结果发现，他们的创造展示了一个更令人惊讶的特性：在室温和规则间隔下会出现超荧光爆发。这项工作可能用于更快的微芯片、神经传感器或用于量子计算应用的材料的开发，以及许多生物学研究。

在室温下实现超荧光的过程，发表在《Nature Photonic》上。来源：Shuang Fang Lim, NC State University

       当材料中的原子同步并同时发射短而强烈的光时，就会发生超荧光。这种性质对于量子光学应用很有价值，但在室温和足够长的时间间隔内很难实现。

       研究小组合成了这种材料——掺杂镧系元素的上转换纳米颗粒upconversion nanoparticle（UCNP），目的是创造一种“更亮”的光学材料。他们生产了尺寸从50纳米到500纳米的六角陶瓷晶体，并开始测试它们的激光性能，并最终产生了新的突破。

       研究人员最初在寻找的激光是，一个原子发出的光刺激另一个原子发射更多相同的光。然而，他们发现了超荧光，首先所有原子排列，然后一起发射。

       “当我们以不同的激光强度激发这种材料时，我们发现它在每次激发时都会以规则的间隔发射三个超荧光脉冲，”共同通讯作者Shuang Fang Lin说。“而且脉冲不会劣化——每个脉冲都有2纳秒长。因此，UCNP不仅在室温下表现出超荧光，而且其表现方式可以控制。”

       室温超荧光很难实现，因为原子很难在不被周围环境“踢出”的情况下一起发射。然而，在UCNP中，光来自“掩埋”在其他电子下方的电子轨道，这些电子轨道起到屏蔽作用，即使在室温下也允许超荧光。

       此外，UCNP的超荧光是特别的，因为它是反斯托克斯位移的，这意味着发射的光波长比引发响应的波长更短，能量更高。

       该研究的共同通讯作者Gang Han表示：“这种强烈和快速的反斯托克斯位移超荧光发射非常适合于许多开创性材料和纳米医学平台。”。“例如，UCNP已广泛应用于生物应用，从无背景噪声生物传感、精密纳米医学和深部组织成像，到细胞生物学、视觉生理学和光遗传学。

       “然而，当前UCNP应用面临的一个挑战是其缓慢的发射，这常常使检测变得复杂和次优。但反斯托克斯位移超荧光的速度是一个完全的改变者：比当前方法快10000倍。我们相信，这种超荧光纳米颗粒为生物成像和光疗提供了革命性的解决方案。”

       UCNP的独特特性可能导致其在许多应用中的广泛应用。

       “首先，室温操作使应用更加容易，”Lim说。“在50纳米，这是目前存在的最小的超荧光介质。因为我们可以控制脉冲，我们可以将这些晶体用作定时器、神经传感器或微芯片上的晶体管。更大的晶体可以让我们更好地控制脉冲。”

[1] Kai Huang, Kory Kevin Green, Ling Huang, Hans Hallen, Gang Han, Shuang Fang Lim. Room-temperature upconverted superfluorescence. Nature Photonics, 2022; DOI: 10.1038/s41566-022-01060-5