Forskare från National University of Singapore och deras medarbetare har avslöjat ett nytt koncept som kallas "superkritisk koppling" som möjliggör en mångfaldig ökning av effektiviteten för fotonuppkonvertering. Denna upptäckt utmanar inte bara befintliga paradigm, utan öppnar också en ny riktning i kontrollen av ljusemission.
Fotonuppkonvertering, processen att omvandla lågenergifotoner till högre energikällor, är en avgörande teknik med breda tillämpningar, allt från superupplöst bildbehandling till avancerade fotoniska enheter. Trots avsevärda framsteg har strävan efter effektiv fotonuppkonvertering stått inför utmaningar på grund av inneboende begränsningar i bestrålningen av lantaniddopade nanopartiklar och de kritiska kopplingsförhållandena för optiska resonanser.
Konceptet "superkritisk koppling" spelar en avgörande roll för att hantera dessa utmaningar. Detta i grunden nya tillvägagångssätt, som föreslagits av en forskargrupp ledd av professor Liu Xiaogang från Institutionen för kemi, NUS och hans medarbetare, Dr. Gianluigi Zito från Italiens nationella forskningsråd utnyttjar fysiken i "bundna tillstånd i kontinuumet" ( BIC).
BIC:er är fenomen som gör att ljus kan fångas i öppna strukturer med teoretiskt oändliga livslängder, vilket överskrider gränserna för kritisk koppling. Dessa fenomen skiljer sig från ljusets vanliga beteende.
Genom att manipulera interaktionen mellan mörka och ljusa lägen inom dessa strukturer, liknande den klassiska analogen av elektromagnetiskt inducerad transparens, förbättrade forskarna inte bara det lokala optiska fältet utan kontrollerade också exakt riktningen för ljusemission.
Deras resultat har publicerats i tidskriften Nature .
Den experimentella valideringen av superkritisk koppling markerar ett betydande steg framåt, vilket visar en ökning av åtta storleksordningar i uppkonverteringsluminescens. Den experimentella uppställningen involverar en fotonisk-kristall nanoskiva täckt med uppkonvertering nanopartiklar. Dessa nanopartiklar fungerar som mikroskalakällor och lasrar.
De unika egenskaperna hos BIC, kännetecknade av försumbar ljusspridning och mikroskala dimensioner av ljusfläckarna, utnyttjades för att uppnå precision i fokusering och riktningskontroll av det emitterade ljuset. Detta öppnar nya vägar för att kontrollera ljusets tillstånd.
Prof Liu sa:"Detta genombrott är inte bara en grundläggande upptäckt, utan representerar ett paradigmskifte inom området nanofotonik, vilket förändrar vår förståelse av ljusmanipulation på nanoskala. Implikationerna av superkritisk koppling sträcker sig bortom fotonuppkonvertering och erbjuder potentiella framsteg inom kvantum. fotonik och olika system baserade på kopplade resonatorer."
"När forskarvärlden brottas med konsekvenserna av detta arbete, står dörren öppen för en framtid där ljus, en av de mest grundläggande beståndsdelarna i vårt universum, kan kontrolleras med oöverträffad precision och effektivitet," tillade Prof Liu.
Mer information: Chiara Schiattarella et al, Direktiv jätte uppkonvertering genom superkritiskt bundna tillstånd i kontinuumet, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06967-9
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av National University of Singapore
