Forskare som letade efter att syntetisera en ljusare och mer stabil nanopartikel för optiska tillämpningar fann att deras skapelse istället uppvisade en mer överraskande egenskap:utbrott av superfluorescens som inträffade vid både rumstemperatur och regelbundna intervall. Arbetet kan leda till utvecklingen av snabbare mikrochips, neurosensorer eller material för användning i kvantberäkningsapplikationer, såväl som ett antal biologiska studier.

Superfluorescens uppstår när atomer i ett material synkroniseras och samtidigt avger en kort men intensiv ljusskur. Egenskapen är värdefull för kvantoptiska tillämpningar, men extremt svår att uppnå vid rumstemperatur och under tillräckligt långa intervall för att vara användbar.

Materialet i fråga - lantaniddopad upconversion nanopartikel, eller UCNP - syntetiserades av forskargruppen i ett försök att skapa ett "ljusare" optiskt material. De producerade hexagonala keramiska kristaller som sträckte sig från 50 nanometer (nm) till 500 nm i storlek och började testa deras laseregenskaper, vilket resulterade i flera imponerande genombrott.

Forskarna letade till en början efter lasring, där ljus som sänds ut från en atom stimulerar en annan att avge mer av samma ljus. Däremot hittade de istället superfluorescens, där först alla atomer ställer sig i linje, sedan avger de tillsammans.

"När vi exciterade materialet med olika laserintensiteter, fann vi att det avger tre pulser av superfluorescens med jämna mellanrum för varje excitation", säger Shuang Fang Lin, docent i fysik vid North Carolina State University och medförfattare till forskningen . "Och pulserna försämras inte – varje puls är 2 nanosekunder lång. Så inte bara uppvisar UCNP superfluorescens vid rumstemperatur, den gör det på ett sätt som kan kontrolleras."

Rumstemperatur superfluorescens är svårt att uppnå eftersom det är svårt för atomerna att emittera tillsammans utan att "sparkas" ur riktning av omgivningen. I en UCNP kommer dock ljuset från elektronorbitaler "begravda" under andra elektroner, som fungerar som en sköld och tillåter superfluorescens även vid rumstemperatur.

Dessutom är UCNP:s superfluorescens tekniskt spännande eftersom den är anti-Stokes-förskjuten, vilket innebär att ljusets emitterade våglängder är kortare och högre energi än de våglängder som initierar svaret.

"Sådana intensiva och snabba anti-Stokes shift superfluorescensemissioner är perfekta för många banbrytande material och nanomedicinska plattformar", säger Gang Han, professor i biokemi och molekylär bioteknik vid University of Massachusetts Chan Medical School och medförfattare till forskningen. "Till exempel har UCNP använts i stor utsträckning i biologiska tillämpningar, allt från bakgrundsljudsfri biosensing, precisionsnanomedicin och djupvävnadsavbildning, till cellbiologi, visuell fysiologi och optogenetik.

"Men en utmaning för nuvarande UCNP-applikationer är deras långsamma emission, vilket ofta gör detektionen komplex och suboptimal. Men hastigheten på anti-Stokes shift superfluorescens är en komplett spelförändring:10 000 gånger snabbare än den nuvarande metoden. Vi tror att denna superfluorescens nanopartikel ger en revolutionerande lösning för bioavbildning och fototerapier som väntar på en ren, snabb och intensiv ljuskälla."

UCNP:s unika egenskaper kan leda till att den används i många applikationer.

"För det första gör drift med rumstemperatur tillämpningar mycket enklare", säger Lim. "Och vid 50 nm är detta det minsta superfluorescerande mediet som finns för närvarande. Eftersom vi kan styra pulserna kan vi använda dessa kristaller som timers, neurosensorer eller transistorer på mikrochips, till exempel. Och större kristaller kan ge oss ännu bättre kontroll över pulserna."

Tidningen "Room Temperature Upconverted Superfluorescence" visas i Nature Photonics . + Utforska vidare

Vanlig perovskit superfluorescerar vid höga temperaturer