![Een illustratie van het kettingreactieproces dat ten grondslag ligt aan het fotonlawine-mechanisme dat onderzoekers van Columbia Engineering hebben gerealiseerd in hun nanodeeltjes. In dit proces veroorzaakt de absorptie van een enkel laag-energetisch foton een kettingreactie van energieoverdrachten en verdere absorptiegebeurtenissen die resulteren in veel zeer aangeslagen ionen in het nanodeeltje, die vervolgens hun energie vrijgeven in de intense emissie van veel hogere energie. fotonen. Krediet: Mikołaj Łukaszewicz / Poolse Academie van Wetenschappen De ingenieurs van Columbia observeerden eerst lawines in nanodeeltjes](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/columbiaengi.jpg)
Een illustratie van het kettingreactieproces dat ten grondslag ligt aan het fotonlawine-mechanisme dat onderzoekers van Columbia Engineering hebben gerealiseerd in hun nanodeeltjes. In dit proces veroorzaakt de absorptie van een enkel laag-energetisch foton een kettingreactie van energieoverdrachten en verdere absorptiegebeurtenissen die resulteren in veel zeer aangeslagen ionen in het nanodeeltje, die vervolgens hun energie vrijgeven in de intense emissie van veel hogere energie. fotonen. Krediet: Mikołaj Łukaszewicz / Poolse Academie van Wetenschappen
Onderzoekers van Columbia Engineering melden vandaag dat ze het eerste nanomateriaal hebben ontwikkeld dat “fotonlawines” aantoont, een proces dat ongeëvenaard is in zijn combinatie van extreem niet-lineair optisch gedrag en efficiëntie. De realisatie van fotonenlawines in de vorm van nanodeeltjes opent een groot aantal gewilde toepassingen, van realtime optische microscopie met superresolutie, nauwkeurige temperatuur- en omgevingsdetectie en infraroodlichtdetectie tot optische analoog-naar-digitaal conversie en kwantumdetectie. .
“Niemand heeft eerder dergelijk lawinegedrag in nanomaterialen gezien”, zegt James Schuck, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, die de studie leidde die vandaag is gepubliceerd door Natuur. “We hebben deze nieuwe nanodeeltjes op het niveau van één nanodeeltje bestudeerd, waardoor we kunnen bewijzen dat lawinegedrag kan optreden in nanomaterialen. Deze voortreffelijke gevoeligheid kan ongelooflijk transformatief zijn. Stel je voor dat we veranderingen in onze chemische omgeving zouden kunnen waarnemen, zoals variaties in of de feitelijke aanwezigheid van moleculaire soorten. Misschien kunnen we zelfs coronavirus en andere ziekten detecteren. “
Lawineprocessen – waarbij een cascade van gebeurtenissen wordt veroorzaakt door een reeks kleine verstoringen – worden aangetroffen in een breed scala aan verschijnselen die verder gaan dan sneeuwglijbanen, waaronder het knallen van champagnebubbels, nucleaire explosies, lasers, neuronale netwerken en zelfs financiële crises. Lawines zijn een extreem voorbeeld van een niet-lineair proces, waarbij een verandering in input of excitatie leidt tot een onevenredige – vaak onevenredig grote – verandering in het outputsignaal. Voor het efficiënt genereren van niet-lineaire optische signalen zijn meestal grote hoeveelheden materiaal nodig, en dit was tot nu toe ook het geval voor fotonenlawines.
In de optica is fotonlawine het proces waarbij de absorptie in een kristal van een enkel foton resulteert in de emissie van vele. Onderzoekers hebben fotonenlawines gebruikt in gespecialiseerde lasers, waar de fotonabsorptie een kettingreactie van optische gebeurtenissen veroorzaakt die uiteindelijk leiden tot efficiënte lasers.
Bijzonder opmerkelijk voor onderzoekers is dat de absorptie van slechts één foton niet alleen leidt tot een groot aantal uitgezonden fotonen, maar ook tot een verrassende eigenschap: de uitgezonden fotonen worden ‘upconverted’, elk met een hogere energie (blauwer van kleur) dan het enkele geabsorbeerde foton. Wetenschappers kunnen golflengten in het infrarode gebied van het optische spectrum gebruiken om grote hoeveelheden hoogenergetische fotonen te creëren die veel beter in staat zijn om gewenste chemische veranderingen teweeg te brengen – zoals het doden van kankercellen – op bepaalde locaties diep in het weefsel, waar de lawaaierige nanodeeltjes zich ook bevinden .
Het gedrag van fotonlawines (PA) trok meer dan 40 jaar geleden veel belangstelling toen onderzoekers erkenden dat de extreme niet-lineariteit ervan een brede invloed zou kunnen hebben op tal van technologieën, van efficiënte upconverterende lasers tot fotonica, optische sensoren en nachtkijkers. PA-gedrag is vergelijkbaar met dat van een transistor in elektronica, waar een kleine verandering in een ingangsspanning resulteert in een grote verandering in de uitgangsstroom, waardoor de versterking wordt verkregen die nodig is voor de werking van bijna alle elektronische apparaten. PA zorgt ervoor dat bepaalde materialen in wezen functioneren als optische transistors.
PA is bijna uitsluitend bestudeerd in op lanthanide (Ln) gebaseerde materialen vanwege hun unieke optische eigenschappen waardoor ze optische energie relatief lang kunnen opslaan. Het bereiken van PA in Ln-systemen was echter moeilijk – het vereist coöperatieve interacties tussen veel Ln-ionen terwijl het ook de verliespaden matigt, en is dus beperkt tot bulkmaterialen en aggregaten, vaak bij lage temperaturen.
Deze beperkingen hebben de fundamentele studie en het gebruik van PA gedegradeerd tot een nicherol in de fotonische wetenschap, en hebben ertoe geleid dat onderzoekers zich het afgelopen decennium bijna uitsluitend hebben geconcentreerd op andere upconversiemechanismen in materiaalontwikkeling, ondanks de ongeëvenaarde voordelen die PA biedt.
In deze nieuwe studie hebben Schuck en zijn internationale team van medewerkers, waaronder de groepen Bruce Cohen en Emory Chan (The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Lab), Artur Bednarkiewicz (Polish Academy of Sciences) en Yung Doug Suh (Korea Research Institute) of Chemical Technology and Sungkyunkwan University), toonden aan dat door het implementeren van enkele belangrijke innovaties in het ontwerp van nanodeeltjes, zoals geselecteerde lanthanidegehaltes en soorten, ze met succes nieuwe 20nm nanokristallen konden synthetiseren die fotonlawines en zijn extreme niet-lineariteit aantonen.
Het team merkte op dat de niet-lineaire optische respons in deze lawaaierige nanodeeltjes schaalt als de 26e kracht van de intensiteit van invallend licht – een verandering van 10% in invallend licht veroorzaakt meer dan 1000% verandering in uitgezonden licht. Deze niet-lineariteit overtreft de reacties die eerder werden gerapporteerd in lanthanide-nanokristallen. Deze buitengewone reactie betekent dat de lawinerende nanodeeltjes (ANP’s) veelbelovend zijn als sensoren, aangezien een kleine verandering in de lokale omgeving ertoe kan leiden dat de deeltjes 100-10.000 keer helderder worden uitgestoten. De onderzoekers ontdekten ook dat deze gigantische niet-lineaire respons in ANP’s optische beeldvorming met diepe subgolflengten mogelijk maakt (waarbij de ANP’s worden gebruikt als luminescerende sondes of contrastmiddelen), met behulp van alleen eenvoudige scanning confocale microscopie.
![Links: Experimentele PASSI-beelden (foton lawine single-beam super-resolution imaging) van thulium-gedoteerde lawine-nanodeeltjes gescheiden door 300 nanometer. Rechts: PASSI-simulaties van hetzelfde materiaal. Krediet: Berkeley Lab en Columbia University Shine on: Lawines van nanodeeltjes doorbreken barrières voor het in realtime afbeelden van cellen](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2021/shineonavala.jpg)
Links: Experimentele PASSI (foton lawine single-beam superresolutie beeldvorming) van thulium-gedoteerde lawine nanodeeltjes gescheiden door 300 nanometer. Rechts: PASSI-simulaties van hetzelfde materiaal. Krediet: Berkeley Lab en Columbia University
“De ANP’s stellen ons in staat om de resolutiediffractielimiet voor optische microscopie met een aanzienlijke marge te verslaan, en ze doen het in wezen gratis, vanwege hun sterk niet-lineaire gedrag”, legt Schuck uit.
De hoofdauteur van de studie Changhwan Lee, die een Ph.D. student in de groep van Schuck voegt eraan toe: “De extreme niet-lineariteit in een enkel ANP transformeert een conventionele confocale microscoop in het nieuwste superresolutie-beeldvormingssysteem.”
Schuck en zijn team werken nu aan hoe ze dit ongekende niet-lineaire gedrag kunnen gebruiken om veranderingen in de omgeving waar te nemen, zoals schommelingen in temperatuur, druk, vochtigheid, met een gevoeligheid die nog niet haalbaar was.
“We zijn erg enthousiast over onze bevindingen”, zegt Schuck. “We verwachten dat ze zullen leiden tot allerlei revolutionaire nieuwe toepassingen op het gebied van detectie, beeldvorming en lichtdetectie. Ze kunnen ook cruciaal blijken te zijn in toekomstige optische informatieverwerkingschips, waarbij ANP’s de versterker-achtige respons en kleine ruimtelijke footprint bieden die typisch zijn voor een enkele chip. transistor in een elektronica circuit. “
De studie is getiteld “Gigantische niet-lineaire optische reacties van foton-lawaaierige nanodeeltjes.”
Gigantische niet-lineaire optische reacties van foton-lawine-nanodeeltjes, Natuur (2021). DOI: 10.1038 / s41586-020-03092-9 , www.nature.com/articles/s41586-020-03092-9
Natuur
Geleverd door Columbia University School of Engineering and Applied Science