“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》 。
这些限制已经影响了光子雪崩的相关研究和应用 ， 并导致研究人员几乎只专注于其他具有上转换机制材料的开发 ， 即便光子雪崩拥有无可比拟的优势 ， 这一过程在极端非线性光学行为和效率的结合方面是无与伦比的 。
而在新研究中研究人员报告说 ， 他们已经开发出了第一种能展示光子雪崩的纳米材料 ， 纳米粒子形式的光子雪崩的实现开启了一系列新的应用 ， 从实时超分辨率光学显微镜、精确的温度和环境传感、红外光探测 ， 到光学模拟数字转换和量子传感 。
《中国科学报》从哥伦比亚大学获悉 ， Schuck和合作者 ， 包括劳伦斯伯克利国家实验室的Bruce Cohen和Emory Chan、波兰科学院Artur Bednarkiewicz和韩国成均馆大学Yung Doug Suh等人 ， 通过实施一些关键的纳米颗粒设计创新 ， 如选择Ln元素的含量和种类 ， 成功合成了新型的20纳米的晶体 ， 并能展示光子雪崩及其极端非线性 。
研究小组观察到这些雪崩纳米颗粒的非线性光学响应为入射光强度的26倍 ， 即入射光的10%变化能导致发射光1000%的变化 。 这种非线性远远超过了以前报道的Ln系纳米晶体的响应 。
突破极限
研究人员指出 ， 这些数字意味着雪崩纳米粒子作为传感器有很大的前景 ， 因为局部环境的一个小变化就可以导致粒子发出100~10000倍的亮度 。 研究人员还发现 ， 雪崩纳米粒子中巨大的非线性响应可以通过简单的扫描共焦显微镜实现深度亚波长光学成像（雪崩纳米粒子被用作发光探针或造影剂） 。
Schuck告诉采访人员：“雪崩纳米颗粒让我们大大超越了光学显微镜的衍射分辨率极限 ， 而且基本上是无偿的 ， 因为它们的非线性行为非常明显 。 ”
该研究的主要作者Changhwan Lee是Schuck小组的一名博士生 ， 他表示 ， 单个雪崩纳米颗粒中的极端非线性能将传统共焦显微镜转换成最新的超分辨率成像系统 。
Meijerink 指出 ， 该研究证明这种材料可以用于超分辨率成像——纳米粒子能以大约70纳米的分辨率成像 ， 远远低于成像系统的衍射极限 。 而且 ， 成像装置简单 ， 只需要一个单一的激光波长 ， 且不到激光器功率的十分之一 。 但也存在一些不足 ， 由于雪崩辐射上升时间较长 ， 使得记录过程变慢 ， 这意味着该技术尚不适合监测生物系统等动态过程 。
Schuck团队正在研究如何更好地感知环境的变化 ， 如温度、压力、湿度的波动 ， 这些目前还无法实现 。
无论如何 ， “我们期待它们在传感、成像和光探测方面带来各种革命性的新应用 。 它们在未来的光信息处理芯片中也可能被证明是至关重要的 ， 雪崩纳米颗粒可以提供类似放大器的响应和电子电路中典型单晶体管的小空间占用 。 ”Schuck说 。
【雪崩纳米材料首现身 有望带来革命性应用】相关论文信息：http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-03092-9
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