Nature:首個光子雪崩納米材料,如果我們能夠感知周圍的化學環境

2021-01-17 別鬧了機器

編輯/文龍

哥倫比亞工程學院的研究人員報告聲稱，他們研發出了首個能展示「光子雪崩（photon avalanching, PA）」的納米材料。「光子雪崩」是極端非線性光學行為和效率相結合的無與倫比的過程，從實時超解析度光學顯微鏡、精確的環境（溫度）傳感、紅外光檢測到光學的模擬數字轉換以及量子傳感，納米粒子實現光子雪崩這一現象可以開闢一系列廣受歡迎的應用。

「以前沒有人在納米材料中見過這樣的雪崩現象，」機械工程副教授James Schuck說，他領導了發表在今天的《自然》雜誌上的這項研究。「我們研究了這些新的單納米顆粒級別的納米粒子，證明了雪崩現象會在納米材料中發生。這種精緻的靈敏度可能會產生難以置信的變革。比如，設想一下如果我們能夠感知到周圍的化學環境，例如分子種類的實際存在或變化，我們甚至可以檢測新冠病毒或者其他疾病。」

雪崩過程指的是由一系列小擾動觸發的一連串事件。除自然現象外，雪崩還廣泛地存在於我們的生活中，香檳泡沫的爆裂、核爆炸、激射、神經元網絡乃至金融危機等等。雪崩是非線性過程的一個極端示例，輸入或激勵的變化會導致輸出信號的變化不成比例（通常為不成比例地增大）。為了高效地產生非線性光學信號，通常需要使用大量的材料，而到目前為止，光子雪崩的情況也是如此。

在光學中，光子雪崩是單個光子在晶體內的吸收進而導致許多光子的發射的過程。研究人員在專用雷射器中使用了光子雪崩，光子的吸收引發了光學事件的連鎖反應，最終導致有效雷射發射。

Tm3+摻雜納米晶體中光子雪崩的機理

研究人員要特別注意的是，僅吸收一個光子不僅會導致大量發射的光子，而且還會導致令人驚訝的特性：發射的光子被「上轉換（upconverted）」，每個光子的能量都比單個吸收光子的能量更高（顏色更藍）。無論納米粒子在何處，科學家都可以利用光譜紅外區中的波長在組織深處的目標位置處產生大量高能光子，這些光子能更好地誘導所需要的化學變化，如殺死癌細胞。

40多年前，光子雪崩現象就引起了人們的極大興趣，因為研究人員認識到其極端的非線性會對從有效的上轉換雷射器到光學傳感器和夜視設備等眾多技術產生廣泛影響。光子雪崩這一行為類似於電子設備中電晶體的行為，輸入電壓的微小變化會導致輸出電流的較大變化，從而為幾乎所有電子設備的運行提供必要的放大。PA 使得某些特定材料基本上能夠用作光學電晶體。

由於PA的獨特光學性質，使得其可以在相對較長的時間內存儲光能，因此PA幾乎僅在基於鑭（Ln）系的材料中進行研究。但是，要在鑭系元素中實現PA一直很困難，因為它要求許多 Ln 離子之間的協作交互，同時調節損耗路徑，因此通常僅限於低溫下的塊狀材料和聚集體。

這些局限性使PA的基礎研究和使用在光子科學中處於不利地位，並導致研究人員在過去十年中幾乎完全專注於材料開發中的其他上轉換機制。

在這項新研究中，Schuck和他的國際合作者團隊包括勞倫斯伯克利國家實驗室分子鑄造廠的Bruce Cohen和Emory Chan、波蘭科學院的Artur Bednarkiewicz和韓國化學技術研究所和成均館大學的Yung Doug Suh的研究表明，通過實施一些關鍵的納米粒子設計的創新，如選擇鑭系元素的含量和種類，他們可以成功地合成新的20nm納米晶體，這些晶體展現了光子雪崩並證明了其極端的非線性。

研究小組觀察到，這些雪崩納米粒子中的非線性光學響應隨著入射光強度的26次冪成非線性比例地變化——入射光10％的變化導致發射光的1000％以上的變化。這種非線性遠遠超出了先前報導中鑭系元素納米晶體的響應。這種非凡的響應意味著雪崩納米粒子（ANP）作為傳感器顯示出巨大的前景，因為局部環境的微小變化會導致粒子發出的亮度提高100-10,000倍。研究人員還發現，僅使用簡單的共聚焦雷射掃描顯微鏡，ANP中的這種巨大的非線性響應就可以實現深度亞波長的光學成像（將ANP用作發光探針或造影劑）。

光子雪崩單光束超解析度成像

Schuck解釋說：「 ANP使我們可以大大超過光學顯微鏡的解析度衍射極限，並且由於其陡峭的非線性行為，它們基本上是不受約束的。」

Schuck研究小組的一名博士生，也是該研究的主要作者Changhwan Lee補充說：「單個ANP中的極端非線性將傳統的共焦顯微鏡轉變為最新的超解析度成像系統。」

Schuck和他的團隊現在正在研究如何使用這種前所未有的非線性行為來感測環境的變化，例如溫度、壓力、溼度的波動，其靈敏度尚無法實現。

「我們對我們的發現感到非常興奮，」Schuck說， 「我們希望它們能夠在傳感、成像和光檢測領域帶來各種革命性的新應用。它們也可能在未來的光學信息處理晶片中被證明是至關重要的，因為ANP可以提供類似電子電路中單個電晶體的放大器般的響應和較小的佔用空間。」

該研究的標題為「來自光子雪崩納米粒子的巨型非線性光學響應（Giant nonlinear optical responses from photon avalanching nanoparticles）」。論文地址：https://arxiv.org/pdf/2007.10551.pdf

https://phys.org/news/2021-01-avalanches-nanoparticles.html

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