在室溫下實現超熒光的過程（圖片來源：該研究論文）

研究人員試圖合成一種更明亮、更穩(wěn)定的納米粒子以服務于光學應用。但他們近期發(fā)現，合成的納米粒子有一種更令人驚訝的特性：在室溫下能有規(guī)律的產生超熒光現象。?值得注意的是，該研究將更快的促進微芯片、神經傳感器或用于量子計算應用的材料開發(fā)，以及生物學研究。

該研究由美國陸軍研究辦公室支持，美國馬薩諸塞大學、北卡羅來納州立大學等小組聯(lián)合研究，研究成果“Room Temperature Upconverted Superfluorescence”目前已發(fā)表于《Nature Photonics》。

聯(lián)合研究的最初目的，是通過合成鑭系元素摻雜的上轉換納米粒子（UCNP），創(chuàng)造一種“更明亮”的光學材料。他們生產了從50納米到500納米大小的六角形陶瓷晶體，并分別測試它們的激光性能。

激光，原子受激導致電子躍遷釋放輻射能量而產生具有同調性的增強光子束。超熒光（superfluorescence，SF）則是由自組織和協(xié)同耦合發(fā)射器組裝產生的一種獨特的量子光學現象，它能產生一陣短而急促的光，非常適合在納米光子學和光學計算中應用。

北卡羅來納州立大學物理學副教授、該研究的共同通訊作者Shuang Fang Lim說：“當用不同的激光強度激發(fā)材料時，我們發(fā)現，材料在每次被激發(fā)后會以固定的時間間隔發(fā)射出三個超熒光脈沖，每個脈沖長2納秒并且不會出現衰減。這意味著，UCNP不僅在室溫下表現出超熒光現象，并且在某種程度上是可以控制的?！?/p>

由于需要保證原子同時發(fā)射且不被周圍環(huán)境影響“踢出排列”，所以在室溫下很難產生超熒光。在該研究中，聯(lián)合小組通過將UCNP中的光子“埋”在其他電子下方的電子軌道，這些電子充當屏蔽層，實現在室溫下生產超熒光。

并且令人興奮的是，他們的UCNP超熒光技術是反斯托克斯位移的，這意味著發(fā)光體發(fā)射的波長比用于激發(fā)的波長更短，能量更高。與典型上轉換發(fā)光的微秒級慢壽命相比，上轉換的超熒光具有10,000倍的加速壽命（τ= 46 ns的SF與τ= 455.8 μs的正常上轉換發(fā)光）。

目前，UCNP已被廣泛應用于無背景噪聲生物傳感、精密納米醫(yī)學和深層組織成像、細胞生物學、視覺生理學和光遺傳學等生物應用中。但目前應用UCNP所面臨的一個挑戰(zhàn)是，光發(fā)射緩慢，并由此造成了檢測的復雜度和結果次優(yōu)。

由此可見，該聯(lián)合小組開創(chuàng)的這種強且快速的反斯托克斯位移超熒光發(fā)射技術正在改變游戲規(guī)則。Lim表示：“我們的研究工作證明了UCNP在室溫下易于操作，同時我們將超熒光介質縮小到50納米波長——也是目前最小的超熒光介質。我們相信，未來通過控制脈沖，這些晶體將能用作計時器、神經傳感器或微芯片晶體管的材料。”

參考鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41566-022-01060-5

https://news.ncsu.edu/2022/08/naturally-insulating-material-emits-pulses-of-superfluorescent-light-at-room-temperature/

編譯：A編輯：慕一