NCSU-Forschung könnte schnellere Mikrochips und Quantencomputeranwendungen bedeuten

Forscher, die ein helleres und stabileres Nanopartikel für optische Anwendungen synthetisieren wollten, stellten fest, dass ihre Herstellung stattdessen eine überraschendere Eigenschaft aufwies: Superfluoreszenzausbrüche, die sowohl bei Raumtemperatur als auch in regelmäßigen Abständen auftraten. Die Arbeit könnte zur Entwicklung schnellerer Mikrochips, Neurosensoren oder Materialien für den Einsatz in Quantencomputeranwendungen sowie zu einer Reihe biologischer Studien führen.

Superfluoreszenz tritt auf, wenn Atome innerhalb eines Materials sich synchronisieren und gleichzeitig einen kurzen, aber intensiven Lichtstoß aussenden. Die Eigenschaft ist für quantenoptische Anwendungen wertvoll, aber bei Raumtemperatur und in Zeiträumen, die lang genug sind, um nützlich zu sein, äußerst schwierig zu erreichen.

Das fragliche Material – Lanthanid-dotierte Upconversion-Nanopartikel oder UCNP – wurde vom Forschungsteam synthetisiert, um ein „helleres“ optisches Material zu schaffen. Sie stellten sechseckige Keramikkristalle mit einer Größe von 50 Nanometern (nm) bis 500 nm her und begannen, ihre Lasereigenschaften zu testen, was zu mehreren beeindruckenden Durchbrüchen führte.

Der Prozess zur Erzielung einer Superfloreszenz bei Raumtemperatur wird in einem neuen Artikel in Nature Photonics gezeigt. (Bild über NCSU)

Die Forscher waren ursprünglich auf der Suche nach Lasereffekten, bei denen das von einem Atom emittierte Licht ein anderes dazu anregt, mehr von demselben Licht auszusenden. Stattdessen fanden sie Superfluoreszenz, bei der sich zunächst alle Atome ausrichten und dann gemeinsam emittieren.

„Als wir das Material mit unterschiedlichen Laserintensitäten anregten, stellten wir fest, dass es bei jeder Anregung in regelmäßigen Abständen drei Superfluoreszenzimpulse aussendet“, sagt Shuang Fang Lin, außerordentlicher Professor für Physik an der North Carolina State University und Mitautor der Studie . „Und die Impulse verschlechtern sich nicht – jeder Impuls ist 2 Nanosekunden lang. Das UCNP zeigt also nicht nur bei Raumtemperatur Superfluoreszenz, sondern auch auf eine Weise, die kontrolliert werden kann.“

Superfluoreszenz bei Raumtemperatur ist schwer zu erreichen, da es für die Atome schwierig ist, gemeinsam zu emittieren, ohne durch die Umgebung aus der Ausrichtung geworfen zu werden. In einem UCNP kommt das Licht jedoch von Elektronenorbitalen, die unter anderen Elektronen „vergraben“ sind, die als Schutzschild wirken und Superfluoreszenz auch bei Raumtemperatur ermöglichen.

Darüber hinaus ist die Superfluoreszenz von UCNP technologisch spannend, da sie anti-Stokes-verschoben ist, was bedeutet, dass die emittierten Lichtwellenlängen kürzer und energiereicher sind als die Wellenlängen, die die Reaktion auslösen.

„Solche intensiven und schnellen Anti-Stokes-Shift-Superfluoreszenzemissionen sind perfekt für zahlreiche bahnbrechende Materialien und nanomedizinische Plattformen“, sagt Gang Han, Professor für Biochemie und Molekulare Biotechnologie an der Chan Medical School der University of Massachusetts und Mitautor der Studie. „Zum Beispiel wurden die UCNPs in großem Umfang in biologischen Anwendungen eingesetzt, die von hintergrundrauschfreier Biosensorik, präziser Nanomedizin und Tiefengewebebildgebung bis hin zu Zellbiologie, visueller Physiologie und Optogenetik reichen.“

„Eine Herausforderung für aktuelle UCNP-Anwendungen ist jedoch ihre langsame Emission, die die Erkennung oft komplex und suboptimal macht. Aber die Geschwindigkeit der Anti-Stokes-Shift-Superfluoreszenz ist völlig bahnbrechend: 10.000 Mal schneller als die aktuelle Methode. Wir glauben, dass dieses Superfluoreszenz-Nanopartikel eine revolutionäre Lösung für Bioimaging und Phototherapien bietet, die auf eine saubere, schnelle und intensive Lichtquelle warten.“

Die einzigartigen Eigenschaften von UCNP könnten zu seinem Einsatz in zahlreichen Anwendungen führen.

„Erstens erleichtert der Betrieb bei Raumtemperatur die Anwendung erheblich“, sagt Lim. „Und mit 50 nm ist dies das kleinste superfluoreszierende Medium, das derzeit existiert. Da wir die Impulse steuern können, könnten wir diese Kristalle beispielsweise als Timer, Neurosensoren oder Transistoren auf Mikrochips verwenden. Und größere Kristalle könnten uns eine noch bessere Kontrolle über die Impulse ermöglichen.“

Der Artikel „Room Temperature Upconverted Superfluoreszenz“ erscheint in Naturphotonik. Die Forschung wurde vom US Army Research Office unter W911NF2110283 unterstützt. Kai Huang, Postdoktorand an der UMass Chan Medical School, ist Erstautor.

(C) NCSU

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire