Il processo per ottenere la superflorescenza a temperatura ambiente è mostrato in un nuovo articolo su Nature Photonics. Credito:Shuang Fang Lim, NC State University
I ricercatori che hanno cercato di sintetizzare una nanoparticella più luminosa e stabile per applicazioni ottiche hanno scoperto che la loro creazione mostrava invece una proprietà più sorprendente:esplosioni di superfluorescenza che si verificavano sia a temperatura ambiente che a intervalli regolari. Il lavoro potrebbe portare allo sviluppo di microchip, neurosensori o materiali più veloci da utilizzare nelle applicazioni di calcolo quantistico, nonché a una serie di studi biologici.
La superfluorescenza si verifica quando gli atomi all'interno di un materiale si sincronizzano e contemporaneamente emettono una breve ma intensa esplosione di luce. La proprietà è preziosa per le applicazioni ottiche quantistiche, ma estremamente difficile da ottenere a temperatura ambiente e per intervalli sufficientemente lunghi da essere utili.
Il materiale in questione, la nanoparticella di upconversion drogata con lantanide, o UCNP, è stato sintetizzato dal team di ricerca nel tentativo di creare un materiale ottico "più luminoso". Hanno prodotto cristalli di ceramica esagonali di dimensioni comprese tra 50 nanometri (nm) e 500 nm e hanno iniziato a testare le loro proprietà laser, che hanno portato a numerose scoperte impressionanti.
Inizialmente i ricercatori stavano cercando il laser, in cui la luce emessa da un atomo stimola un altro a emettere più della stessa luce. Tuttavia, hanno invece trovato la superfluorescenza, dove prima tutti gli atomi si allineano, quindi emettono insieme.
"Quando abbiamo eccitato il materiale a diverse intensità laser, abbiamo scoperto che emette tre impulsi di superfluorescenza a intervalli regolari per ciascuna eccitazione", afferma Shuang Fang Lin, professore associato di fisica presso la North Carolina State University e co-autore corrispondente della ricerca . "E gli impulsi non si degradano:ogni impulso è lungo 2 nanosecondi. Quindi non solo l'UCNP mostra superfluorescenza a temperatura ambiente, ma lo fa in un modo che può essere controllato".
La superfluorescenza a temperatura ambiente è difficile da ottenere perché è difficile che gli atomi emettano insieme senza essere "cacciati" fuori allineamento dall'ambiente circostante. In un UCNP, invece, la luce proviene da orbitali elettronici "sepolti" sotto altri elettroni, che fungono da scudo e consentono la superfluorescenza anche a temperatura ambiente.
Inoltre, la superfluorescenza di UCNP è tecnologicamente eccitante perché è anti-Stokes spostata, il che significa che le lunghezze d'onda della luce emesse sono più brevi e più elevate rispetto alle lunghezze d'onda che avviano la risposta.
"Emissioni di superfluorescenza anti-Stokes così intense e rapide sono perfette per numerosi materiali pionieristici e piattaforme di nanomedicina", afferma Gang Han, professore di biochimica e biotecnologia molecolare presso l'Università del Massachusetts Chan Medical School e co-autore corrispondente della ricerca. "Ad esempio, gli UCNP sono stati ampiamente utilizzati in applicazioni biologiche che vanno dal biorilevamento senza rumore di fondo, alla nanomedicina di precisione e all'imaging dei tessuti profondi, alla biologia cellulare, alla fisiologia visiva e all'optogenetica.
"Tuttavia, una sfida alle attuali applicazioni UCNP è la loro lenta emissione, che spesso rende il rilevamento complesso e non ottimale. Ma la velocità della superfluorescenza anti-Stokes cambia completamente il gioco:10.000 volte più veloce del metodo attuale. Crediamo che questa superfluorescenza la nanoparticella fornisce una soluzione rivoluzionaria per le bioimmagini e le fototerapie che attendono una fonte di luce pulita, rapida e intensa."
Le qualità uniche di UCNP potrebbero portare al suo utilizzo in numerose applicazioni.
"In primo luogo, il funzionamento a temperatura ambiente semplifica notevolmente le applicazioni", afferma Lim. "E a 50 nm, questo è il mezzo superfluorescente più piccolo attualmente esistente. Dal momento che possiamo controllare gli impulsi, potremmo usare questi cristalli come timer, neurosensori o transistor su microchip, per esempio. E cristalli più grandi potrebbero darci un controllo ancora migliore su i legumi."
Il documento, "Superfluorescenza convertita a temperatura ambiente", appare in Nature Photonics . + Esplora ulteriormente
