I ricercatori della Columbia Engineering riferiscono oggi di aver sviluppato il primo nanomateriale che dimostra "la valanga di fotoni, " un processo che non ha rivali nella sua combinazione di comportamento ottico ed efficienza non lineari estremi. La realizzazione di valanghe di fotoni in forma di nanoparticelle apre una serie di applicazioni ricercate, dalla microscopia ottica in super-risoluzione in tempo reale, rilevamento preciso della temperatura e dell'ambiente, e rilevamento della luce a infrarossi, alla conversione ottica analogico-digitale e al rilevamento quantistico.

"Nessuno ha mai visto un comportamento da valanga come questo nei nanomateriali, " ha detto James Schuck, professore associato di ingegneria meccanica, che ha condotto lo studio pubblicato oggi da Natura . "Abbiamo studiato queste nuove nanoparticelle a livello di singola nanoparticella, permettendoci di dimostrare che il comportamento di valanga può verificarsi nei nanomateriali. Questa squisita sensibilità potrebbe essere incredibilmente trasformativa. Ad esempio, immagina se potessimo percepire i cambiamenti nel nostro ambiente chimico, come variazioni o l'effettiva presenza di specie molecolari. Potremmo persino essere in grado di rilevare il coronavirus e altre malattie".

I processi di valanga, in cui una cascata di eventi viene innescata da una serie di piccole perturbazioni, si riscontrano in un'ampia gamma di fenomeni oltre le frane di neve, compreso lo scoppio delle bollicine di champagne, esplosioni nucleari, laser, rete neuronale, e anche crisi finanziarie. Le valanghe sono un esempio estremo di un processo non lineare, in cui un cambiamento nell'input o nell'eccitazione porta a un cambiamento sproporzionato, spesso sproporzionato, nel segnale di uscita. Solitamente sono necessari grandi volumi di materiale per la generazione efficiente di segnali ottici non lineari, e questo era stato anche il caso della valanga di fotoni, fino ad ora.

In ottica, la valanga di fotoni è il processo in cui l'assorbimento all'interno di un cristallo di un singolo fotone provoca l'emissione di molti. I ricercatori hanno utilizzato la valanga di fotoni in laser specializzati, dove l'assorbimento del fotone innesca una reazione a catena di eventi ottici che alla fine portano a laser efficienti.

Di particolare rilievo per i ricercatori è che l'assorbimento di un solo fotone porta non solo a un gran numero di fotoni emessi, ma anche a una proprietà sorprendente:i fotoni emessi sono "upconvertiti, " ciascuno più alto di energia (di colore più blu) rispetto al singolo fotone assorbito. Gli scienziati possono utilizzare lunghezze d'onda nella regione infrarossa dello spettro ottico per creare grandi quantità di fotoni ad energia più elevata che sono molto più efficaci nell'indurre i cambiamenti chimici desiderati, come uccidendo le cellule tumorali, in punti mirati in profondità all'interno dei tessuti, ovunque siano posizionate le nanoparticelle in valanga.

Il comportamento della valanga di fotoni (PA) ha suscitato un notevole interesse più di 40 anni fa, quando i ricercatori hanno riconosciuto che la sua estrema non linearità potrebbe avere un ampio impatto su numerose tecnologie, dagli efficienti laser upconverting alla fotonica, sensori ottici, e dispositivi per la visione notturna. Il comportamento del PA è simile a quello di un transistor in elettronica, dove un piccolo cambiamento in una tensione di ingresso si traduce in un grande cambiamento nella corrente di uscita, fornendo l'amplificazione necessaria per il funzionamento di quasi tutti i dispositivi elettronici. PA consente a determinati materiali di funzionare essenzialmente come transistor ottici.

Il PA è stato studiato quasi esclusivamente in materiali a base di lantanidi (Ln) grazie alle loro proprietà ottiche uniche che consentono loro di immagazzinare energia ottica per periodi di tempo relativamente lunghi. Però, raggiungere PA nei sistemi Ln è stato difficile:richiede interazioni cooperative tra molti ioni Ln e allo stesso tempo modera i percorsi di perdita, ed è stato quindi limitato a materiali sfusi e aggregati, spesso a basse temperature.

Queste limitazioni hanno relegato lo studio fondamentale e l'uso della PA a un ruolo di nicchia nella scienza fotonica, e hanno portato i ricercatori a concentrarsi quasi esclusivamente nell'ultimo decennio su altri meccanismi di conversione nello sviluppo dei materiali, nonostante gli ineguagliabili vantaggi offerti dalla PA.

In questo nuovo studio, Schuck e il suo team internazionale di collaboratori, compresi i gruppi di Bruce Cohen ed Emory Chan (The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Lab), Artur Bednarkiewicz (Accademia polacca delle scienze), e Yung Doug Suh (Korea Research Institute of Chemical Technology e Sungkyunkwan University), hanno dimostrato che implementando alcune innovazioni chiave nella progettazione delle nanoparticelle come contenuti e specie selezionati di lantanidi, potrebbero sintetizzare con successo nuovi nanocristalli da 20 nm che dimostrano la valanga di fotoni e la sua estrema non linearità.

Il team ha osservato che la risposta ottica non lineare in queste nanoparticelle da valanga si ridimensiona come la 26a potenza dell'intensità della luce incidente:una variazione del 10% della luce incidente provoca una variazione superiore al 1000% della luce emessa. Questa non linearità supera di gran lunga le risposte riportate in precedenza nei nanocristalli di lantanidi. Questa risposta straordinaria significa che le nanoparticelle da valanga (ANP) mostrano grandi promesse come sensori, poiché un piccolo cambiamento nell'ambiente locale può portare le particelle a emettere 100-10, 000 volte più brillante. I ricercatori hanno anche scoperto che questa gigantesca risposta non lineare negli ANP consente l'imaging ottico a lunghezze d'onda profonde (con gli ANP utilizzati come sonde luminescenti, o mezzi di contrasto), utilizzando solo la semplice microscopia confocale a scansione.

"Gli ANP ci consentono di superare il limite di diffrazione della risoluzione per la microscopia ottica con un margine significativo, e lo fanno essenzialmente gratis, a causa del loro comportamento fortemente non lineare, "Shuck spiega.

L'autore principale dello studio Changhwan Lee, chi è un dottorato di ricerca studente nel gruppo di Schuck, aggiunge, "L'estrema non linearità in un singolo ANP trasforma un microscopio confocale convenzionale nel nuovissimo sistema di imaging a superrisoluzione".

Schuck e il suo team stanno ora lavorando su come utilizzare questo comportamento non lineare senza precedenti per rilevare i cambiamenti nell'ambiente, come sbalzi di temperatura, pressione, umidità, con una sensibilità che non è stata ancora realizzabile.

"Siamo molto entusiasti dei nostri risultati, " dice Schuck. "Ci aspettiamo che portino a tutti i tipi di nuove applicazioni rivoluzionarie nel rilevamento, immagini, e rilevamento della luce. Possono anche rivelarsi critici nei futuri chip di elaborazione delle informazioni ottiche, con gli ANP che forniscono la risposta simile a un amplificatore e il piccolo ingombro spaziale tipico di un singolo transistor in un circuito elettronico."

Lo studio è intitolato "Risposte ottiche non lineari giganti da nanoparticelle a valanga di fotoni".