“天然绝缘”材料在室温下发出超荧光脉冲

在室温下实现超高光化的过程在《自然光子学》的一篇新论文中有所展示。图片来源：林爽芳，北卡罗来纳州立大学

研究人员希望为光学应用合成更亮，更稳定的纳米颗粒，发现它们的创造反而表现出更令人惊讶的特性：在室温和固定间隔下发生的超荧光爆发。这项工作可能导致开发更快的微芯片，神经传感器或用于量子计算应用的材料，以及许多生物学研究。

当材料中的原子同步并同时发出短暂但强烈的光爆发时，就会发生超荧光。该特性对于量子光学应用很有价值，但在室温和足够长的间隔内很难实现。

所讨论的材料 - 镧系元素掺杂的上转换纳米颗粒或UCNP - 是由研究小组合成的，旨在创造一种“更亮”的光学材料。他们生产了尺寸从50纳米（nm）到500 nm的六角形陶瓷晶体，并开始测试它们的激光特性，这导致了几个令人印象深刻的突破。

研究人员最初正在寻找激光，其中一个原子发出的光刺激另一个原子发出更多相同的光。然而，他们反而发现了超荧光，首先所有原子对齐，然后一起发射。

“当我们以不同的激光强度激发材料时，我们发现它每次激发都会以固定的间隔发射三个超荧光脉冲，”北卡罗来纳州立大学物理学副教授，该研究的共同通讯作者Shuang Fang Lin说。“脉冲不会退化 - 每个脉冲的长度为2纳秒。因此，UCNP不仅在室温下表现出超荧光，而且以一种可以控制的方式表现出超氟。

室温超氟化很难实现，因为原子很难在不被周围环境“踢”出对准的情况下一起发射。然而，在UCNP中，光来自“埋藏”在其他电子下方的电子轨道，这些电子充当屏蔽层，即使在室温下也允许超荧光。

此外，UCNP的超荧光在技术上是令人兴奋的，因为它是反斯托克斯移位的，这意味着发射的光波长比启动响应的波长更短，能量更高。

“如此强烈和快速的抗斯托克斯位移超荧光排放非常适合众多开创性的材料和纳米医学平台，”马萨诸塞大学陈医学院生物化学和分子生物技术教授，该研究的共同通讯作者Gang Han说。“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应用的一个挑战是它们的缓慢发射，这通常使检测变得复杂且不理想。但反斯托克斯移位超荧光的速度完全改变了游戏规则：比目前的方法快10，000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，等待清洁，快速和密集的光源。

UCNP的独特品质可以导致其在众多应用中的使用。

“首先，室温操作使应用变得更加容易，”Lim说。“在50nm处，这是目前存在的最小的超荧光介质。由于我们可以控制脉冲，因此我们可以将这些晶体用作计时器，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。

这篇论文，“室温上转换的超氟”，出现在Nature Photonics上。

更多信息：Kai Huang等人，室温上转换超荧光，自然光子学（2022）。DOI： 10.1038/s41566-022-01060-5

期刊信息：自然光子学