研究人员开发出第一个证明“光子雪崩”的纳米材料
近日,研究人员开发出了第一个证明“光子雪崩”的纳米材料,这可能会在传感、成像和光探测等方面带来新的应用。相关论文1月13日刊登于《自然》。 “之前没有人在纳米材料中看到过这样的‘雪崩’行为。”该研究负责人、美国哥伦比亚大学机械工程副教授James Schuck说,“我们在单纳米粒子水平上研究了这些新的纳米材料粒子,从而证明雪崩行为可以发生在纳米材料中。” 他还提到,这种极致敏感可能会带来难以置信的变革。例如,想象一下,如果能感知化学环境的变化,比如分子物种的变化或实际存在情况,我们甚至能检测出冠状病毒和其他疾病。 荷兰乌德勒支大学的Andries Meijerink和Freddy T. Rabouw在相关评论文章中提到,“这一发现将引领对其他能产生光子雪崩的纳米晶体的研究。这些新型纳米粒子的前景是光明的。”他们未参与该研究。 看,它们都雪崩 雪崩过程是由一系列小扰动触发的一连串事件,它可以在除真实积雪崩塌之外的许多现象中被发现,包括香槟泡沫的破裂、核爆炸、激光、神经元网络,甚至金融危机。 雪崩是非线性过程的一个极端例子,在这个过程中,输入或激励的变化会导致输出信号不成比例的变化,通常是不相称的大。但为有效地产生非线性光信号,人们通常需要大量的材料,到目前为止光子雪崩也是如此。 在光学器件中,光子雪崩是晶体中单个光子的吸收导致多个光子发射的过程。光子雪崩被用于专门的激光器中,光子吸收引发一系列光学事件的连锁反应,最终导致高效的激光发射。 “雪崩的时候,没有一片雪花是无辜的。”同样,雪崩的时候,每个光子都是重要的。研究人员发现,仅仅单个光子吸收就会导致大量的发射光子,而且还会产生一个令人惊讶的特性:发射的光子是“上转换”的,每个都比吸收的光子能量更高。 这样,科学家就可以利用红外波长产生大量高能量光子,这些光子在组织内部的特定位置,也就是雪崩纳米颗粒所处的位置,能更好地诱导所需的化学变化——比如杀死癌细胞。 40多年前,光子雪崩行为就引起了人们的极大兴趣,因为研究人员认识到它的极端非线性可以广泛地影响许多技术,从高效的上转换激光器到光电子、光学传感器和夜视设备。 更小又更大 一直以来,由于镧(Ln)基材料具有独特的光学特性,使得光子雪崩能够在相对较长的时间内存储光能,因此光子雪崩几乎只在Ln基材料中进行研究。然而,在这种材料中实现光子雪崩非常困难——它需要许多Ln离子之间的协同作用,同时还需要调节损失途径,因此仅限于大块材料和聚集物,而且通常是要在低温下。 “在一些材料中,单个光子的吸收可以触发连锁反应,从而产生大量的光。这些光子雪崩的发现为成像和传感应用开辟了道路。但这种现象以前只能在毫米到厘米尺度的晶体中观察到。”Meijerink告诉《中国科学报》。 |