La investigación del NCSU podría significar microchips más rápidos y aplicaciones de computación cuántica

Los investigadores que buscaban sintetizar una nanopartícula más brillante y estable para aplicaciones ópticas descubrieron que su creación exhibía una propiedad más sorprendente: ráfagas de superfluorescencia que ocurrían tanto a temperatura ambiente como a intervalos regulares. El trabajo podría conducir al desarrollo de microchips, neurosensores o materiales más rápidos para su uso en aplicaciones de computación cuántica, así como a una serie de estudios biológicos.

La superfluorescencia ocurre cuando los átomos dentro de un material se sincronizan y simultáneamente emiten un breve pero intenso estallido de luz. La propiedad es valiosa para aplicaciones ópticas cuánticas, pero extremadamente difícil de lograr a temperatura ambiente y durante intervalos lo suficientemente largos como para ser útil.

El material en cuestión (nanopartícula de conversión ascendente dopada con lantánidos, o UCNP, por sus siglas en inglés) fue sintetizado por el equipo de investigación en un esfuerzo por crear un material óptico "más brillante". Produjeron cristales cerámicos hexagonales de entre 50 nanómetros (nm) y 500 nm de tamaño y comenzaron a probar sus propiedades láser, lo que resultó en varios avances impresionantes.

El proceso para lograr la superflorescencia a temperatura ambiente se muestra en un nuevo artículo publicado en Nature Photonics. (Imagen vía NCSU)

Inicialmente, los investigadores buscaban láser, donde la luz emitida por un átomo estimula a otro para que emita más de la misma luz. Sin embargo, en su lugar encontraron superfluorescencia, donde primero todos los átomos se alinean y luego emiten juntos.

"Cuando excitamos el material con diferentes intensidades de láser, descubrimos que emite tres pulsos de superfluorescencia a intervalos regulares para cada excitación", dice Shuang Fang Lin, profesor asociado de física en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y coautor correspondiente de la investigación. . “Y los pulsos no se degradan: cada pulso dura 2 nanosegundos. Así que la UCNP no sólo exhibe superfluorescencia a temperatura ambiente, sino que lo hace de una manera que puede controlarse”.

La superfluorescencia a temperatura ambiente es difícil de lograr porque es difícil que los átomos emitan juntos sin ser "desalineados" por el entorno. Sin embargo, en una UCNP, la luz proviene de orbitales de electrones "enterrados" debajo de otros electrones, que actúan como un escudo y permiten la superfluorescencia incluso a temperatura ambiente.

Además, la superfluorescencia de UCNP es tecnológicamente interesante porque tiene un desplazamiento anti-Stokes, lo que significa que las longitudes de onda de luz emitidas son más cortas y tienen mayor energía que las longitudes de onda que inician la respuesta.

"Emisiones de superfluorescencia anti-cambio de Stokes tan intensas y rápidas son perfectas para numerosos materiales pioneros y plataformas de nanomedicina", dice Gang Han, profesor de bioquímica y biotecnología molecular en la Facultad de Medicina Chan de la Universidad de Massachusetts y coautor correspondiente de la investigación. “Por ejemplo, las UCNP se han utilizado ampliamente en aplicaciones biológicas que van desde biodetección sin ruido de fondo, nanomedicina de precisión e imágenes de tejidos profundos hasta biología celular, fisiología visual y optogenética.

“Sin embargo, un desafío para las aplicaciones UCNP actuales es su lenta emisión, lo que a menudo hace que la detección sea compleja y subóptima. Pero la velocidad de la superfluorescencia anti-cambio de Stokes cambia completamente las reglas del juego: 10.000 veces más rápida que el método actual. Creemos que esta nanopartícula de superfluorescencia proporciona una solución revolucionaria para la bioimagen y las fototerapias que esperan una fuente de luz limpia, rápida e intensiva”.

Las cualidades únicas de la UCNP podrían llevar a su uso en numerosas aplicaciones.

"En primer lugar, el funcionamiento a temperatura ambiente facilita mucho las aplicaciones", afirma Lim. “Y a 50 nm, este es el medio superfluorescente más pequeño que existe actualmente. Como podemos controlar los pulsos, podríamos utilizar estos cristales como temporizadores, neurosensores o transistores en microchips, por ejemplo. Y cristales más grandes podrían darnos un control aún mejor sobre los pulsos”.

El artículo, "Superfluorescencia convertida a temperatura ambiente", aparece en Fotónica de la naturaleza. La investigación fue apoyada por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU. bajo W911NF2110283. Kai Huang, investigador postdoctoral de la Facultad de Medicina Chan de la UMass, es el primer autor.

(C) NCSU

Fuente del artículo original: WRAL TechWire