Zaobserwowano zjawisko lawinowej emisji fotonów w nowych nanomateriałach

Międzynarodowy zespół naukowców opracował nowe nanomateriały koloidalne zdolne do lawinowej emisji fotonów. O najnowszym osiągnięciu, w które zaangażowana była grupa badawcza prof. Artura Bednarkiewicza z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu, przeczytamy w ostatnim wydaniu „Nature”.

nature_20_01_2021_big.jpg 

Zjawisko lawinowej emisji fotonów to jeden z najbardziej wydajnych procesów konwersji energii w górę - uzyskiwane w jego trakcie fotony posiadają energię wyższą niż energia fotonów użytych do wzbudzenia. Przez ostatnie 40 lat zjawisko nie cieszyło się wśród badaczy zbyt wielką popularnością i sporadycznie wykorzystywane było przy zastosowaniu materiałów monokrystalicznych (zwykle >10 mm wielości) głównie w celu uzyskiwania nowych linii laserowych. Jednak, jak przewidziano na drodze teoretycznych obliczeń i wstępnych demonstracji (wcześniejsze prace autorów) lawinowa emisja fotonów jest na tyle ciekawym i nietypowym procesem, że możliwość jej obserwacji w skali nanometrycznej (1 nm = 0.000 000 001 metra) pozwoliłaby osiągnąć postęp w takich dziedzinach jak bio-sensoryka, obrazowanie czy zdalna nanotermometria. Te potencjalne możliwości inspirowały badaczy i zmusiły naukowców do dalszych poszukiwań sposobów uzyskania lawinowej emisji fotonów w nanomateriałach.

Zaskakujące odkrycie

W najnowszym numerze „Nature” naukowcy z USA, Polski oraz Korei Południowej zademonstrowali możliwość uzyskania lawinowej emisji fotonów w nanokryształach koloidalnych. Polsko-amerykańsko-koreańskiej grupie badawczej udało się uzyskać nową klasę materiałów nanokrystalicznych zwaną nanometrycznymi luminoforami lawinowymi (ANP – avalanche nanoparticles). Dzięki nim obrazowanie przy użyciu konwencjonalnego mikroskopu konfokalnego będzie mogło odbywać się poniżej limitu dyfrakcji światła (około 300-400 nm).

Nowe nanocząsteczki mierzące zaledwie 25 nanometrów zawierają rdzeń zbudowany z nanokryształów domieszkowanych jonami lantanowców (w tym przypadku aż 8% jonów tulu, który pochłania i emituje światło) i pasywny płaszcz. Zaskakujący efekt wynika z faktu, że przy tak dużej koncentracji jonów tulu zwykle obserwuje się silne tłumienie emisji, tutaj, kluczowym elementem było jednak użycie specjalnie dobranego wzbudzenia z zakresu bliskiej podczerwieni. Dzięki takiemu połączeniu, naukowcy uzyskali spektakularny wzrost intensywności świecenia. W zdecydowanej większości (liniowych) luminoforów, dwukrotny wzrost intensywności pobudzenia prowadzi typowo do dwukrotnego wzrostu intensywności świecenia. W nanokryształach lawinowych w tych samych warunkach uzyskano ponad 10 000 krotny wzrost intensywności emisji. Podobne zachowanie, choć odmienne z punktu widzenia samego zjawiska fizycznego, można zaobserwować w tranzystorze lub laserze.

Tak silną, nieliniowo wzrastającą luminescencję wykorzystano do super-rozdzielczego obrazowania struktur nanometrycznych z rozdzielczością przestrzenną 70 nm, a wyniki eksperymentalne doskonale zgadzają się z przewidywaniami teoretycznymi. Uzyskane rezultaty nie tylko definiują nowe kierunki badań materiałowych w celu opracowania kolejnych (nano)materiałów lawinowych o innych barwach emisji, ale przede wszystkim otwierają zupełnie nowe możliwości zastosowania nanotechnologii w konstrukcji czujników biologicznych (np. do wykrywania wirusów, bakterii czy grzybów, lub procesów biologicznych w komórkach i tkankach), czujników wielkości fizycznych (np. temperatury, ciśnienia), w obliczeniach neuromorficznych, konstrukcji detektorów promieniowania z zakresu średniej podczerwieni, nowych nano-laserów czy też, jak w oryginalnej pracy, obrazowania poniżej limitu dyfrakcji światła.

Kto za tym stoi?

Badania prowadziło kilka grup badawczych z USA (University of Columbia, Lawrence Barkeley National Laboratory), Polski (Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych Polskiej Akademii Nauk) oraz Korei Południowej (Korea Research Institute of Chemical Technology). Polskimi współautorami pracy są prof. Artur Bednarkiewicz oraz mgr Agata Kotulska doktorantka z INTiBS PAN.

Artykuł ”Giant nonlinear optical responses from photon-avalanching nanoparticles” ukazał się w styczniowym wydaniu „Nature”.

Źródło informacji: Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN

Ilustracja do okładki „Nature”: Mikołaj Łukasiewicz