寂静的雪山 ， 随着一声“咔嚓”的轻响 ， 雪层断裂 ， “白色妖魔”呼啸而下 ， 巨大的力量能将将所过之处扫荡殆尽 ， 自然界的雪崩危害巨大 ， 能摧毁森林、威胁人类 。 实际上 ， 雪崩并非雪花专有 ， 光子也能发生雪崩 ， 同样的能量喷涌 ， 带来的却是革命性的应用 。
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14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 。
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