Forskare vid Columbia Engineering rapporterar idag att de har utvecklat det första nanomaterialet som visar "fotonavalanching, "en process som är oöverträffad i sin kombination av extremt olinjärt optiskt beteende och effektivitet. Förverkligandet av fotonlavinering i nanopartikelform öppnar upp för en mängd eftertraktade tillämpningar, från optisk mikroskopi med superupplösning i realtid, exakt temperatur- och miljöavkänning, och detektering av infrarött ljus, till optisk analog-till-digital konvertering och kvantavkänning.

"Ingen har sett ett sådant här lavinbeteende i nanomaterial tidigare, sa James Schuck, docent i maskinteknik, som ledde studien som publicerades idag av Natur . "Vi studerade dessa nya nanopartiklar på singelnanopartikelnivå, så att vi kan bevisa att lavinbeteende kan förekomma i nanomaterial. Denna utsökta känslighet kan vara otroligt transformerande. Till exempel, tänk om vi kunde känna förändringar i vår kemiska omgivning, som variationer i eller den faktiska närvaron av molekylära arter. Vi kanske till och med kan upptäcka coronavirus och andra sjukdomar."

Lavinprocesser – där en kaskad av händelser utlöses av serier av små störningar – finns i ett brett spektrum av fenomen bortom snöras, inklusive sprängande av champagnebubblor, kärnvapenexplosioner, lasing, neuronala nätverk, och även finansiella kriser. Avalanching är ett extremt exempel på en icke-linjär process, där en förändring i ingång eller excitation leder till en oproportionerlig – ofta oproportionerligt stor – förändring i utsignalen. Stora volymer material krävs vanligtvis för effektiv generering av olinjära optiska signaler, och detta hade också varit fallet för foton lavinering, tills nu.

Inom optik, foton lavinering är den process där absorptionen i en kristall av en enda foton resulterar i utsläpp av många. Forskare har använt fotonalavanchning i specialiserade lasrar, där fotonabsorptionen sätter igång en kedjereaktion av optiska händelser som i slutändan leder till effektiv lasring.

Särskilt anmärkningsvärt för forskare är att absorptionen av en enda foton inte bara leder till ett stort antal emitterade fotoner utan också till en överraskande egenskap:de emitterade fotonerna är "uppkonverterade, " var och en högre i energi (blåare till färgen) än den enstaka absorberade fotonen. Forskare kan använda våglängder i det infraröda området av det optiska spektrumet för att skapa stora mängder fotoner med högre energi som är mycket bättre på att inducera önskade kemiska förändringar - som t.ex. döda cancerceller - på riktade platser djupt inne i vävnaden, var de lavinerande nanopartiklarna än befinner sig.

Photon avalanching (PA) beteende väckte stort intresse för mer än 40 år sedan när forskare insåg att dess extrema olinjäritet i stort sett kan påverka många tekniker, från effektiva uppkonverterande lasrar till fotonik, optiska sensorer, och mörkerseende. PA-beteendet liknar det för en transistor inom elektronik, där en liten förändring i en inspänning resulterar i en stor förändring i utströmmen, tillhandahåller den förstärkning som krävs för driften av nästan alla elektroniska enheter. PA gör att vissa material i huvudsak fungerar som optiska transistorer.

PA har nästan uteslutande studerats i lantanid (Ln) baserade material på grund av deras unika optiska egenskaper som gör att de kan lagra optisk energi under relativt långa tidsperioder. Dock, att uppnå PA i Ln-system har varit svårt – det kräver samverkande interaktioner mellan många Ln-joner samtidigt som förlustvägar modereras, och har därför begränsats till bulkmaterial och ballast, ofta vid låga temperaturer.

Dessa begränsningar har förvisat den grundläggande studien och användningen av PA till en nischroll inom fotonisk vetenskap, och har lett forskare att under det senaste decenniet nästan uteslutande fokusera på andra uppkonverteringsmekanismer i materialutveckling, trots de oöverträffade fördelarna som PA erbjuder.

I denna nya studie, Schuck och hans internationella team av medarbetare, inklusive grupperna Bruce Cohen och Emory Chan (The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Lab), Artur Bednarkiewicz (polska vetenskapsakademin), och Yung Doug Suh (Korea Research Institute of Chemical Technology och Sungkyunkwan University), visade att genom att implementera några viktiga nanopartikeldesigninnovationer som utvalda lantanidinnehåll och arter, de kunde framgångsrikt syntetisera nya 20nm nanokristaller som visar fotonlavin och dess extrema olinjäritet.

Teamet observerade att det olinjära optiska svaret i dessa lavinartade nanopartiklar skalar som den 26:e potensen av det infallande ljusets intensitet - en 10% förändring i infallande ljus orsakar mer än en 1000% förändring i emitterat ljus. Denna olinjäritet överstiger vida svar som rapporterats tidigare i lantanid-nanokristaller. Denna extraordinära respons betyder att de lavinande nanopartiklarna (ANP) visar mycket lovande som sensorer, eftersom en liten förändring i den lokala miljön kan leda till att partiklarna släpper ut 100-10, 000 gånger ljusare. Forskarna fann också att detta gigantiska olinjära svar i ANP:er möjliggör optisk avbildning med djupt subvåglängd (med ANP:er som används som självlysande sonder, eller kontrastmedel), med endast enkel skanningskonfokalmikroskopi.

"ANP:erna tillåter oss att slå upplösningsdiffraktionsgränsen för optisk mikroskopi med en betydande marginal, och de gör det i princip gratis, på grund av deras kraftigt olinjära beteende, " förklarar Schuck.

Studiens huvudförfattare Changhwan Lee, som är doktorand. student i Schucks grupp, lägger till, "Den extrema olinjäriteten i en enda ANP förvandlar ett konventionellt konfokalmikroskop till det nyaste superupplösningsbildsystemet."

Schuck och hans team arbetar nu på hur man använder detta oöverträffade olinjära beteende för att känna av förändringar i miljön, såsom temperaturfluktuationer, tryck, fuktighet, med en känslighet som ännu inte har kunnat uppnås.

"Vi är mycket glada över våra resultat, " säger Schuck. "Vi förväntar oss att de ska leda till alla typer av revolutionerande nya tillämpningar inom avkänning, bildbehandling, och ljusdetektering. De kan också visa sig vara kritiska i framtida chips för optisk informationsbehandling, med ANP:er som ger det förstärkarliknande svaret och det lilla spatiala fotavtrycket som är typiskt för en enskild transistor i en elektronikkrets."

Studien har titeln "Jätte olinjära optiska svar från foton lavinerande nanopartiklar."