La ricerca NCSU potrebbe significare microchip più veloci e applicazioni di calcolo quantistico

I ricercatori che cercavano di sintetizzare una nanoparticella più luminosa e stabile per applicazioni ottiche hanno scoperto che la loro creazione esibiva invece una proprietà più sorprendente: esplosioni di superfluorescenza che si verificavano sia a temperatura ambiente che a intervalli regolari. Il lavoro potrebbe portare allo sviluppo di microchip, neurosensori o materiali più veloci da utilizzare in applicazioni di calcolo quantistico, nonché a una serie di studi biologici.

La superfluorescenza si verifica quando gli atomi all'interno di un materiale si sincronizzano ed emettono simultaneamente un breve ma intenso lampo di luce. La proprietà è preziosa per le applicazioni di ottica quantistica, ma estremamente difficile da ottenere a temperatura ambiente e per intervalli sufficientemente lunghi da essere utile.

Il materiale in questione, nanoparticelle di upconversion drogate con lantanidi, o UCNP, è stato sintetizzato dal team di ricerca nel tentativo di creare un materiale ottico "più luminoso". Hanno prodotto cristalli ceramici esagonali di dimensioni comprese tra 50 nanometri (nm) e 500 nm e hanno iniziato a testarne le proprietà laser, che hanno portato a diverse scoperte impressionanti.

Il processo per ottenere la superflorescenza a temperatura ambiente è illustrato in un nuovo articolo su Nature Photonics. (Immagine tramite NCSU)

Inizialmente i ricercatori cercavano il lasing, in cui la luce emessa da un atomo stimola un altro a emettere più luce della stessa quantità. Tuttavia, hanno trovato la superfluorescenza, in cui prima tutti gli atomi si allineano, poi emettono insieme.

"Quando abbiamo eccitato il materiale a diverse intensità laser, abbiamo scoperto che emette tre impulsi di superfluorescenza a intervalli regolari per ogni eccitazione", afferma Shuang Fang Lin, professore associato di fisica alla North Carolina State University e coautore corrispondente della ricerca. "E gli impulsi non si degradano: ogni impulso è lungo 2 nanosecondi. Quindi non solo l'UCNP mostra superfluorescenza a temperatura ambiente, ma lo fa in un modo che può essere controllato".

La superfluorescenza a temperatura ambiente è difficile da ottenere perché è difficile per gli atomi emettere insieme senza essere "sballottati" fuori allineamento dall'ambiente circostante. In un UCNP, tuttavia, la luce proviene da orbitali elettronici "sepolti" sotto altri elettroni, che agiscono come uno scudo e consentono la superfluorescenza anche a temperatura ambiente.

Inoltre, la superfluorescenza dell'UCNP è tecnologicamente interessante perché è spostata in senso anti-Stokes, il che significa che le lunghezze d'onda della luce emesse sono più corte e hanno un'energia maggiore rispetto alle lunghezze d'onda che innescano la risposta.

"Queste emissioni di superfluorescenza anti-Stokes shift intense e rapide sono perfette per numerosi materiali pionieristici e piattaforme di nanomedicina", afferma Gang Han, professore di biochimica e biotecnologia molecolare presso la University of Massachusetts Chan Medical School e coautore corrispondente della ricerca. "Ad esempio, gli UCNP sono stati ampiamente utilizzati in applicazioni biologiche che spaziano dalla biosensoristica senza rumore di fondo, alla nanomedicina di precisione e all'imaging dei tessuti profondi, alla biologia cellulare, alla fisiologia visiva e all'optogenetica.

"Tuttavia, una sfida per le attuali applicazioni UCNP è la loro lenta emissione, che spesso rende il rilevamento complesso e subottimale. Ma la velocità della superfluorescenza anti-Stokes shift è un vero e proprio punto di svolta: 10.000 volte più veloce del metodo attuale. Crediamo che questa nanoparticella superfluorescente fornisca una soluzione rivoluzionaria per la bioimmagine e le fototerapie che attendono una fonte di luce pulita, rapida e intensiva".

Le qualità uniche dell'UCNP potrebbero consentire il suo utilizzo in numerose applicazioni.

"Innanzitutto, il funzionamento a temperatura ambiente semplifica notevolmente le applicazioni", afferma Lim. "E a 50 nm, questo è il più piccolo mezzo superfluorescente attualmente esistente. Dal momento che possiamo controllare gli impulsi, potremmo usare questi cristalli come timer, neurosensori o transistor su microchip, ad esempio. E cristalli più grandi potrebbero darci un controllo ancora migliore sugli impulsi".

L'articolo, "Superfluorescenza convertita a temperatura ambiente", appare in Fotonica della naturaLa ricerca è stata supportata dall'US Army Research Office con il codice W911NF2110283. Kai Huang, ricercatore post-dottorato presso la UMass Chan Medical School, è il primo autore.

(C) NCSU

Fonte articolo originale: WRAL TechWire