第一个纳米材料开发,展示了“光子雪崩” - 极端非线性光学行为和效率

光子雪崩过程

将光子雪崩机制哥伦比亚工程研究人员在其纳米颗粒中实现的链条反应过程的说明。在该过程中,单个低能量光子的吸收从能量转移和进一步吸收事件的链反应中脱落,从而导致纳米颗粒内的许多高度激发离子的进一步吸收事件,然后将它们的能量释放出许多更高能量的强度光子。信誉:Mikolaj Lukaszewicz /波兰科学院

研究人员开发了第一个纳米材料,展示了“光子雪崩”;发现可能导致传感,成像和光检测中的新应用。

哥伦比亚工程学院的研究人员今天报告说,他们已经开发出了第一种展示“光子雪崩”的纳米材料,这一过程在极端非线性光学行为和效率的结合方面是无与伦比的。纳米粒子形式的光子雪崩的实现开启了一系列广受欢迎的应用,从实时超分辨率光学显微镜、精确的温度和环境传感、红外光探测,到光学模拟数字转换和量子传感。

“在纳米材料之前,没有人看到这样的雪崩行为,”机械工程副教授詹姆斯·肖克表示,今天(1月13日)发表的研究性质。“我们在单纳米粒子水平上研究了这些新的纳米粒子,这让我们能够证明雪崩行为可以发生在纳米材料中。这种细腻的敏感可能会带来难以置信的变革。例如,想象一下,如果我们能够感知化学环境的变化,比如分子物种的变化或实际存在。我们甚至可能检测出冠状病毒和其他疾病。”

雪崩的过程 - 在一系列小扰动中触发的级联事件 - 在广阔的雪幻灯片的各种现象中发现,包括香槟泡沫,核爆炸,激光,神经元网络,甚至金融危机。雪崩是非线性过程的极端示例,其中输入或激励的变化导致不成比例的 - 通常不成比例地大 - 输出信号的变化。通常需要大量的材料,以便有效地产生非线性光学信号,这也是光子雪崩的情况下,直到现在。

在光学中,光子雪崩是一种过程,其中单个光子的晶体内的吸收导致许多发射。研究人员在专业激光器中使用了光子雪崩,其中光子吸收将最终导致有效激光的光学事件的链反应。

值得研究人员特别注意的是,仅仅吸收一个光子不仅会导致大量的发射光子,而且还会产生一个令人惊讶的特性:发射的光子是“上转换”的,每一个都比单个吸收的光子能量更高(颜色更蓝)。科学家们可以利用光谱中红外波段的波长来产生大量高能量光子,这些光子能更好地诱导所需的化学变化——比如杀死癌细胞——在组织深处的定向位置,也就是雪崩纳米颗粒所在的位置。

40多年前,光子雪崩(PA)行为引起了人们的极大兴趣,因为研究人员认识到它的极端非线性可以广泛地影响许多技术,从高效的上转换激光器到光电子、光学传感器和夜视设备。PA的特性类似于电子学中的晶体管,在晶体管中,输入电压的微小变化就会导致输出电流的大变化,从而提供几乎所有电子设备运行所必需的放大。PA使某些材料基本上起光晶体管的作用。

由于镧系(Ln)基材料具有独特的光学特性,使得PA能够在相对较长时间内存储光能,因此PA几乎只在镧系(Ln)基材料中进行研究。然而,在Ln系统中实现PA是困难的——它需要许多Ln离子之间的协同作用,同时还需要调节损失途径,因此仅限于大块材料和聚集物,通常是在低温下。

这些局限性降低了PA在光子科学中的基础研究和使用PA到利基角色,并且由于PA的无与伦比的优势,LED研究人员几乎可以在过去十年中专注于其他升级机制。

在这项新的研究中,Schuck和他的国际合作团队,包括Bruce Cohen和Emory Chan群体(分子代工厂,劳伦斯伯克利国家实验室),Artur Bednarkiewicz(波兰科院)和Yung Doug Suh(韩国研究所)作者:王莹,化学科技与SUNGKYUNKWAN大学)表明,通过实施一些关键的纳米粒子设计创新,如选择镧系元素和物种,它们可以成功地合成展示光子雪崩及其极端非线性的新型20nm纳米晶体。

该团队观察到这些雪崩纳米粒子的非线性光学响应在入射光强度的第26个电源中缩放 - 入射光的10%变化导致发射光的变化超过1000%。这种非线性远远超过先前在镧系里纳米晶体中报道的反应。这种非凡的响应意味着雪崩纳米颗粒(ANP)显示出很大的希望作为传感器,因为当地环境的小变化可能导致颗粒更明亮地发射100-10,000倍。研究人员还发现,ANP中的这种巨大非线性响应使得仅使用简单的扫描共聚焦显微镜进行深度的亚波长光学成像(用ANPS用作发光探针或造影剂)。

“ANPS允许我们通过显着的边缘击败光学显微镜的分辨率衍射限制,并且由于它们的急剧非线性行为,它们本质上是免费的,”Schuck解释道。

该研究的主要作者Changhwan Lee是Schuck小组的一名博士生,他补充说:“单个ANP中的极端非线性将传统共聚焦显微镜转换成最新的超分辨率成像系统。”

Schuck和他的团队现在正在研究如何使用这种前所未有的非线性行为来传感环境的变化,例如温度的波动,压力,湿度,尚未实现的敏感性。

“我们对我们的调查结果非常兴奋,”肖克说。“我们希望他们在传感,成像和光检测中导致各种革命性的新应用。它们还可以在未来的光学信息处理芯片中证明关键,具有在电子电路中提供放大器的响应和单个晶体管的典型的小空间占空间。“

参考文献:“来自光子雪崩纳米粒子的巨型非线性光学响应”常恒李,艾玛徐,亚拜力刘,Ayelet Teitelboim,Kaiyuan瑶,天使费尔南德斯 - Bravo,Agata Kotulska,Sangatu Kotulska,Sang Hwan Nam,Yung Doug Suh,Artur Bednarkiewicz,Bruce E. Cohen,埃默里M. Chan和P. James Schuck,13月2021年13日,性质
DOI:10.1038 / S41586-020-03092-9

作者是:振兴·卢斯,艾玛·卢布·刘·刘2,,3,艾美玉石,猕猴桃1,天使费尔南德 - 布拉沃2,令人痛苦的苏格兰德·苏格兰·苏格兰·苏格兰·苏·苏格拉姆,杨道·苏·图库,6,Artur Bednarkiewicz4,Bruce E.Cohen2,7,200。Chan2,和P. James Schuck1
1哥伦比亚工程机械工程系
2分子铸造厂,劳伦斯伯克利国家实验室
3中国科学院长春应用化学研究所稀土资源利用国家重点实验室yabovip2021
4低温和结构研究所,波兰科学院
5韩国化学技术研究所先进分子探测实验室
6韩国Sungkyunkwan University化学工程学院。
劳伦斯伯克利国家实验室分子生物物理与综合生物成像研究室

该研究得到了全球研究实验室计划,通过科学和ICT部资助的韩国国家研究基金会(2016911815号)资助。还由可编程量子材料提供支持,该能源前沿研究中心哥伦比亚大学由美国能源部(DOE),科学厅提供资金,基本能源科学(BES),奖励DE-SC0019443。在美国能源部的基本能源科学办公室,在合同编号DE-AC02-05CH11231下,科学厅支持分子铸造厅的工作。

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