Lanthanide-gedoteerde nanomaterialen ontgrendelen nieuwe horizonten voor geavanceerde beeldvorming en fotonica

Onderzoekers van de National University of Singapore (NUS) hebben een nieuwe klasse van door lanthanide gedoteerde nanomaterialen ontwikkeld die buitengewoon hoge optische niet-lineariteit vertonen, die een omvang van 500 overschrijden. Deze prestatie vormt een nieuwe wereldwijde benchmark voor foton avalanche nanophotonics. Het papier is gepubliceerd in Natuur.

Foton Avalanche is een uitzonderlijk zeldzaam en krachtig fotofysisch effect gekenmerkt door zijn niet -lineaire reactie op lichte excitatie. Bij conventionele fluorescentie neemt de intensiteit van uitgestraald licht meestal evenredig toe met de excitatie-intensiteit, hetgeen een lineaire input-outputrelatie weerspiegelt. Foton Avalanche -systemen vertonen echter een abrupte, niet -lineair gedrag: zodra de excitatie -intensiteit een kritische drempel overtreft, leidt zelfs een kleine toename tot een plotselinge, exponentiële toename van de emissie -output.

Dit effect staat bekend als een “lawine” omdat het zich gedraagt ​​als een weggelopen kettingreactie, aangedreven door energieoverdrachtsprocessen binnen het materiaal, die de lichtuitgang snel versterken. Foton lawine -materialen kunnen dus kleine veranderingen in lichtinvoer veranderen in grote toename van de emissie -intensiteit, waardoor ze ideaal zijn voor ultrasgevoelige detectie en geavanceerde beeldvorming.

Het onderzoeksteam onder leiding van professor Liu Xiaogang van het NUS Department of Chemistry in samenwerking met professor Liang Liangliang van de Xiamen University, China, ontdekte dat het wijzigen van de structuur van door lanthanide gedoteerde nanokristallen, speciaal door het vervangen van Lutetium in de kristale latte in de kristal in de kristal in de kristal te introduceren Lutetium in de kristal in de kristal in de kristal in de kristal te introduceren.

Wetenschappelijk gebeurt dit door een positieve feedback-lus met geëxcoreerde-absorptie van geëxciteerde toestand en energieoverdracht tussen lanthanide-ionen zoals TM³⁺. Deze processen versterken elkaar wederzijds, waardoor niet-lineaire optische reacties van ultrahoge orde mogelijk zijn die orden van grootte gevoeliger zijn dan traditionele fluoroforen.

Dientengevolge kunnen foton lawine -materialen als optische versterkers fungeren, waar zelfs subtiele veranderingen in invoer, zoals lichtintensiteit, temperatuur of omgevingscondities, dramatische verschuivingen in emissie kunnen veroorzaken.

Door deze materialen op nanoschaal te engineer, introduceerde het onderzoeksteam lokale vervormingen in het kristalrooster dat interacties tussen energieoverdracht verbeterde, met name kruis-relaxatie tussen thuliumionen. Deze benadering leidde tot een zeer hoge optische niet-lineariteit (meer dan 150 in 27 nm nanokristallen), waardoor het mogelijk was om beeldvorming van superresolutie te bereiken met behulp van slechts een enkele lichtstraal.

De resolutie bereikte 33 nm over en 80 nm diep, vergelijkbaar met wat gestimuleerde emissie -uitputting -microscopie kan doen, maar zonder de noodzaak van complexe instrumentatie. Toen ze een grotere nanodisk van 170 nm gebruikten, nam de niet-lineariteit nog verder toe en ging verder dan 500. Bovendien onthulde het ruimtelijk verschillende niet-lineaire emissiepatronen binnen individuele nanokristallen, waardoor beeldvorming met resolutie kon worden geresoleerd voorbij de fysieke dimensies van de emitters zelf.

Dit werk opent transformerende kansen op optische en biomedische velden en biedt een kosteneffectieve route naar beeldvorming van de superresolutie, waardoor zeer gevoelige chemische en biosensing mogelijk is. Het biedt ook een robuust platform voor kwantumfotonische toepassingen zoals optische schakelaars en lichtbronnen, en ondersteunt geavanceerde gegevensopslag en codering door ruimtelijke en intensiteitsopgeloste emissiecontrole.

Prof Liu zei: “Door foton lawine-effecten te combineren met precieze nanomaterialenontwerp, herdefiniëren we de grenzen van niet-lineaire optiek. Dit werk legt de basis voor een nieuwe generatie op licht gebaseerde technologieën die sneller, compacter en gevoeliger dan ooit eerder zijn.”