北卡罗来纳州立大学的研究可能意味着更快的微芯片、量子计算应用

研究人员希望合成一种更亮、更稳定的纳米粒子用于光学应用，但他们发现，他们的创造反而表现出更令人惊讶的特性：在室温和定期间隔下都会发生超荧光爆发。这项工作可能会导致更快的微芯片、神经传感器或用于量子计算应用以及许多生物学研究的材料的开发。

当材料内的原子同步并同时发出短暂但强烈的光时，就会发生超荧光。该特性对于量子光学应用很有价值，但在室温下且在足够长的时间间隔内很难实现。

研究团队合成了这种材料——稀土掺杂上转换纳米颗粒（UCNP），旨在创造一种“更亮”的光学材料。他们生产了尺寸从 50 纳米 (nm) 到 500 nm 的六方陶瓷晶体，并开始测试其激光特性，取得了几项令人印象深刻的突破。

《自然光子学》的一篇新论文展示了在室温下实现超级花的过程。 （图片来自北卡罗来纳州立大学）

研究人员最初寻找的是激光，即一个原子发出的光刺激另一个原子发出更多相同的光。然而，他们却发现了超荧光，首先所有原子对齐，然后一起发射。

“当我们以不同的激光强度激发材料时，我们发现每次激发都会定期发出三个超荧光脉冲，”北卡罗莱纳州立大学物理学副教授、该研究的共同通讯作者林双芳说。 “而且脉冲不会退化——每个脉冲长 2 纳秒。因此，UCNP 不仅在室温下表现出超荧光，而且它的表现方式是可以控制的。”

室温超荧光很难实现，因为原子很难在不被周围环境“踢”出排列的情况下一起发射。然而，在 UCNP 中，光来自“埋藏”在其他电子下方的电子轨道，这些电子轨道充当屏蔽，即使在室温下也能产生超荧光。

此外，UCNP 的超荧光在技术上令人兴奋，因为它是反斯托克斯位移的，这意味着发射的光波长比引发响应的波长更短且能量更高。

“如此强烈和快速的反斯托克斯位移超荧光发射非常适合众多开创性材料和纳米医学平台，”马萨诸塞大学陈医学院生物化学和分子生物技术教授、该研究的共同通讯作者 Gang Han 说。 “例如，UCNP 已广泛应用于生物应用，从无背景噪声生物传感、精密纳米医学和深层组织成像，到细胞生物学、视觉生理学和光遗传学。

“然而，当前 UCNP 应用面临的一个挑战是它们的缓慢发射，这通常使检测变得复杂且不理想。但反斯托克斯位移超荧光的速度完全改变了游戏规则：比当前方法快 10,000 倍。我们相信，这种超荧光纳米粒子为生物成像和光疗提供了革命性的解决方案，需要清洁、快速和强的光源。”

UCNP 的独特品质可能导致其在众多应用中得到使用。

“首先，室温操作使应用变得更加容易，”Lim 说。 “在 50 nm 波长下，这是目前存在的最小的超荧光介质。由于我们可以控制脉冲，因此我们可以将这些晶体用作定时器、神经传感器或微芯片上的晶体管等。更大的晶体可以让我们更好地控制脉冲。”

论文“室温上转换超荧光”出现在 自然光子学。该研究得到了美国陆军研究办公室 W911NF2110283 的支持。麻省大学陈医学院博士后研究员黄凯是第一作者。

(C) 北卡罗来纳州立大学

原文来源： WRAL 技术线