„Natürlich isolierendes“ Material sendet bei Raumtemperatur Impulse aus superfluoreszierendem Licht aus

Forscher, die einen helleren und stabileren Nanopartikel für optische Anwendungen synthetisieren wollten, stellten fest, dass ihre Herstellung stattdessen eine überraschendere Eigenschaft aufwies: Superfluoreszenzausbrüche, die sowohl bei Raumtemperatur als auch in regelmäßigen Abständen auftraten. Die Arbeit könnte zur Entwicklung schnellerer Mikrochips, Neurosensoren oder Materialien für den Einsatz in Quantencomputeranwendungen sowie zu einer Reihe biologischer Studien führen.

Superfluoreszenz tritt auf, wenn sich Atome innerhalb eines Materials synchronisieren und gleichzeitig einen kurzen, aber intensiven Lichtstoß aussenden. Diese Eigenschaft ist wertvoll für quantenoptische Anwendungen, aber bei Raumtemperaturen und für Zeiträume, die lang genug sind, um nützlich zu sein, äußerst schwierig zu erreichen.

Das fragliche Material – Lanthanoid-dotiertes Upconversion-Nanopartikel oder UCNP – wurde vom Forschungsteam synthetisiert, um ein „helleres“ optisches Material zu schaffen. Sie stellten hexagonale Keramikkristalle mit einer Größe von 50 Nanometer (nm) bis 500 nm her und begannen, ihre Lasereigenschaften zu testen, was zu mehreren beeindruckenden Durchbrüchen führte.

Die Forscher suchten zunächst nach Lasern, bei denen Licht, das von einem Atom emittiert wird, ein anderes dazu anregt, mehr vom gleichen Licht zu emittieren. Sie fanden jedoch stattdessen Superfluoreszenz, bei der sich zuerst alle Atome ausrichten und dann gemeinsam emittieren.

„Als wir das Material mit unterschiedlichen Laserintensitäten anregten, stellten wir fest, dass es bei jeder Anregung in regelmäßigen Abständen drei Superfluoreszenzpulse aussendet“, sagt Shuang Fang Lin, außerordentlicher Professor für Physik an der North Carolina State University und Mitautor der Forschung . „Und die Pulse werden nicht schlechter – jeder Puls ist 2 Nanosekunden lang. Das UCNP zeigt also nicht nur bei Raumtemperatur Superfluoreszenz, sondern auch auf eine kontrollierbare Weise.“

Superfluoreszenz bei Raumtemperatur ist schwer zu erreichen, da es für die Atome schwierig ist, gemeinsam zu emittieren, ohne durch die Umgebung aus der Ausrichtung „getreten“ zu werden. In einem UCNP kommt das Licht jedoch von Elektronenorbitalen, die unter anderen Elektronen „begraben“ sind, die als Schutzschild wirken und selbst bei Raumtemperatur Superfluoreszenz ermöglichen.

Darüber hinaus ist die Superfluoreszenz von UCNP technologisch spannend, da sie anti-Stokes-verschoben ist, was bedeutet, dass die emittierten Lichtwellenlängen kürzer und energiereicher sind als die Wellenlängen, die die Reaktion auslösen.

„Solch intensive und schnelle Anti-Stokes-Shift-Superfluoreszenz-Emissionen sind perfekt für zahlreiche wegweisende Materialien und nanomedizinische Plattformen“, sagt Gang Han, Professor für Biochemie und molekulare Biotechnologie an der Chan Medical School der Universität von Massachusetts und Mitautor der Forschung. „Zum Beispiel wurden die UCNPs in biologischen Anwendungen weit verbreitet, die von Hintergrundrauschen-freier Biosensorik, Präzisions-Nanomedizin und Tiefengewebe-Bildgebung bis hin zu Zellbiologie, visueller Physiologie und Optogenetik reichen.

„Eine Herausforderung für aktuelle UCNP-Anwendungen ist jedoch ihre langsame Emission, die die Erkennung oft komplex und suboptimal macht. Aber die Geschwindigkeit der Anti-Stokes-Shift-Superfluoreszenz ist ein kompletter Wendepunkt: 10.000-mal schneller als die aktuelle Methode. Wir glauben, dass diese Superfluoreszenz Nanopartikel bieten eine revolutionäre Lösung für Bioimaging und Phototherapien, die auf eine saubere, schnelle und intensive Lichtquelle warten.“

Die einzigartigen Qualitäten von UCNP könnten zu seiner Verwendung in zahlreichen Anwendungen führen.

„Erstens macht der Betrieb bei Raumtemperatur die Anwendung viel einfacher“, sagt Lim. „Und mit 50 nm ist dies das kleinste Superfluoreszenzmedium, das es derzeit gibt. Da wir die Impulse steuern können, könnten wir diese Kristalle zum Beispiel als Timer, Neurosensoren oder Transistoren auf Mikrochips verwenden. Und größere Kristalle könnten uns eine noch bessere Kontrolle darüber geben die Pulse.“

Die Veröffentlichung „Room Temperature Upconverted Superfluorescence“ erscheint in Naturphotonik.