Badania NCSU mogą oznaczać szybsze mikrochipy i zastosowania obliczeń kwantowych

Naukowcy chcący zsyntetyzować jaśniejszą i bardziej stabilną nanocząstkę do zastosowań optycznych odkryli, że zamiast tego ich wytworzenie wykazywało bardziej zaskakującą właściwość: wybuchy superfluorescencji, które występowały zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w regularnych odstępach czasu. Prace mogą zaowocować opracowaniem szybszych mikrochipów, neurosensorów lub materiałów do zastosowań w obliczeniach kwantowych, a także szeregu badań biologicznych.

Superfluorescencja występuje, gdy atomy w materiale synchronizują się i jednocześnie emitują krótki, ale intensywny rozbłysk światła. Właściwość ta jest cenna w zastosowaniach optyki kwantowej, ale niezwykle trudna do osiągnięcia w temperaturach pokojowych i w odstępach czasu wystarczająco długich, aby była użyteczna.

Materiał, o którym mowa – nanocząstka konwersji w górę domieszkowana lantanowcami, czyli UCNP – został zsyntetyzowany przez zespół badawczy w celu stworzenia „jaśniejszego” materiału optycznego. Wyprodukowali sześciokątne kryształy ceramiczne o wielkości od 50 nanometrów (nm) do 500 nm i rozpoczęli testowanie ich właściwości laserowych, co zaowocowało kilkoma imponującymi przełomami.

Proces uzyskiwania superflorescencji w temperaturze pokojowej przedstawiono w nowym artykule w Nature Photonics. (Zdjęcie za pośrednictwem NCSU)

Naukowcy początkowo poszukiwali metody laserowej, w której światło emitowane przez jeden atom stymuluje drugi do emitowania większej ilości tego samego światła. Zamiast tego jednak odkryli superfluorescencję, w której wszystkie atomy najpierw ustawiają się w jednej linii, a następnie emitują razem.

„Kiedy wzbudziliśmy materiał przy różnej intensywności lasera, odkryliśmy, że emituje on trzy impulsy superfluorescencji w regularnych odstępach czasu dla każdego wzbudzenia” – mówi Shuang Fang Lin, profesor fizyki na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej i współautor badania . „I impulsy nie ulegają degradacji – każdy impuls ma długość 2 nanosekund. Zatem UCNP nie tylko wykazuje superfluorescencję w temperaturze pokojowej, ale robi to w sposób, który można kontrolować”.

Nadfluorescencja w temperaturze pokojowej jest trudna do osiągnięcia, ponieważ atomom trudno jest emitować razem bez „wyrzucania” ich z ustawienia przez otoczenie. Jednak w UCNP światło pochodzi z orbitali elektronowych „pochowanych” pod innymi elektronami, które działają jak tarcza i umożliwiają superfluorescencję nawet w temperaturze pokojowej.

Ponadto superfluorescencja UCNP jest ekscytująca pod względem technologicznym, ponieważ jest przesunięta anty-Stokesa, co oznacza, że emitowane długości fal światła są krótsze i mają większą energię niż długości fal, które inicjują reakcję.

„Tak intensywne i szybkie emisje superfluorescencji przeciwdziałającej przesunięciu Stokesa są idealne dla wielu pionierskich materiałów i platform nanomedycyny” – mówi Gang Han, profesor biochemii i biotechnologii molekularnej w Szkole Medycznej Uniwersytetu Massachusetts Chan i współautor badań. „Na przykład UCNP są szeroko stosowane w zastosowaniach biologicznych, począwszy od bioczujników pozbawionych szumów tła, precyzyjnej nanomedycyny i obrazowania tkanek głębokich, po biologię komórki, fizjologię wzroku i optogenetykę.

„Jednak jednym z wyzwań stojących przed obecnymi zastosowaniami UCNP jest ich powolna emisja, co często sprawia, że wykrywanie jest skomplikowane i nieoptymalne. Jednak prędkość superfluorescencji przeciwdziałającej przesunięciu Stokesa całkowicie zmienia reguły gry: 10 000 razy większa niż obecna metoda. Wierzymy, że ta superfluorescencyjna nanocząstka stanowi rewolucyjne rozwiązanie w bioobrazowaniu i fototerapiach, które oczekują czystego, szybkiego i intensywnego źródła światła”.

Unikalne właściwości UCNP mogą prowadzić do jego wykorzystania w wielu zastosowaniach.

„Po pierwsze, praca w temperaturze pokojowej znacznie ułatwia aplikacje” – mówi Lim. „A przy długości fali 50 nm jest to najmniejsze obecnie istniejące medium superfluorescencyjne. Ponieważ możemy kontrolować impulsy, moglibyśmy wykorzystać te kryształy na przykład jako liczniki czasu, neurosensory lub tranzystory w mikrochipach. A większe kryształy mogłyby zapewnić nam jeszcze lepszą kontrolę nad impulsami.”

Artykuł zatytułowany „Superfluorescencja przekształcona w górę w temperaturze pokojowej” ukazuje się w: Fotonika Przyrody. Badania były wspierane przez Biuro Badań Armii USA pod numerem W911NF2110283. Pierwszym autorem jest Kai Huang, pracownik naukowy ze stopniem doktora w UMass Chan Medical School.

(C) NCSU

Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire