NCSUの研究は、より高速なマイクロチップや量子コンピューティングのアプリケーションにつながる可能性がある
発行日:光学用途向けに、より明るく安定したナノ粒子を合成しようとしていた研究者たちは、その生成物が、室温で一定の間隔で発生する超蛍光のバーストという、より驚くべき特性を示すことを発見した。この研究は、より高速なマイクロチップ、ニューロセンサー、量子コンピューティング用途の材料の開発や、数多くの生物学的研究につながる可能性がある。
超蛍光は、物質内の原子が同期し、同時に短時間だが強力な光のバーストを放出するときに発生します。この特性は量子光学アプリケーションには有益ですが、室温で、また、役に立つほど長い間隔で実現するのは極めて困難です。
問題の材料であるランタニド添加アップコンバージョンナノ粒子（UCNP）は、研究チームによって「より明るい」光学材料を作成するために合成されました。彼らは、サイズが50ナノメートル（nm）から500nmの六方晶系セラミック結晶を生成し、そのレーザー特性のテストを開始し、いくつかの印象的なブレークスルーをもたらしました。
室温で超蛍光を実現するプロセスは、Nature Photonics の新しい論文で紹介されています。(画像提供: NCSU)
研究者たちは当初、ある原子から発せられた光が別の原子を刺激して同じ光をさらに発するレーザー発光を探していた。しかし、代わりに発見したのは、すべての原子が最初に一列に並び、次に一緒に発光する超蛍光だった。
「異なるレーザー強度で材料を励起すると、励起ごとに一定の間隔で3つの超蛍光パルスを放出することが分かりました」と、ノースカロライナ州立大学の物理学准教授で本研究の共同責任著者であるシュアン・ファン・リン氏は言う。「そして、パルスは劣化しません。各パルスの長さは2ナノ秒です。つまり、UCNPは室温で超蛍光を発するだけでなく、制御可能な方法でそれを発するのです。」
室温での超蛍光は、原子が周囲から「蹴り飛ばされて」ずれることなく同時に発光することが難しいため、実現が困難です。しかし、UCNP では、光は他の電子の下に「埋もれた」電子軌道から発せられ、それがシールドとして機能し、室温でも超蛍光を可能にします。
さらに、UCNP の超蛍光は反ストークスシフトであるため、技術的に興味深いものです。つまり、放出される光の波長は、反応を開始する波長よりも短く、エネルギーが高いということです。
「このように強力かつ急速な反ストークスシフト超蛍光発光は、数多くの先駆的材料やナノ医療プラットフォームに最適です」と、マサチューセッツ大学チャン医科大学院の生化学および分子バイオテクノロジー教授で、本研究の共同責任著者であるガン・ハン氏は言う。「例えば、UCNPは、バックグラウンドノイズのないバイオセンシング、精密ナノ医療、深部組織イメージングから、細胞生物学、視覚生理学、光遺伝学に至るまで、生物学的用途で幅広く使用されています。」
「しかし、現在の UCNP アプリケーションの課題の 1 つは、その発光速度が遅いことです。このため、検出が複雑になり、最適とは言えません。しかし、反ストークスシフト超蛍光の速度は、完全に画期的なものです。現在の方法よりも 10,000 倍高速です。この超蛍光ナノ粒子は、クリーンで高速かつ強力な光源を待ち望んでいるバイオイメージングや光線療法に革命的なソリューションを提供すると考えています。」
UCNP のユニークな特性により、さまざまな用途での使用が可能になります。
「まず、室温で操作できるため、アプリケーションがはるかに簡単になります」とリム氏は言います。「そして、50nm は、現在存在する最小の超蛍光媒体です。パルスを制御できるため、これらの結晶をタイマー、ニューロセンサー、マイクロチップ上のトランジスタなどとして使用できます。また、結晶が大きくなれば、パルスをさらに適切に制御できるようになります。」
「室温アップコンバージョン超蛍光」という論文は、 ネイチャーフォトニクスこの研究は、米国陸軍研究局（W911NF2110283）の支援を受けて行われた。UMass Chan Medical Schoolのポスドク研究員であるKai Huang氏が筆頭著者である。
(C)NCSU
元の記事の出典: WRAL TechWire