Les chercheurs cherchant à synthétiser une nanoparticule plus brillante et plus stable pour des applications optiques ont découvert que leur création présentait plutôt une propriété plus surprenante : des éclats de superfluorescence qui se produisaient à la fois à température ambiante et à intervalles réguliers. Les travaux pourraient conduire au développement de micropuces, de neurocapteurs ou de matériaux plus rapides à utiliser dans les applications d’informatique quantique, ainsi qu’à un certain nombre d’études biologiques.
La superfluorescence se produit lorsque les atomes d’un matériau se synchronisent et émettent simultanément une rafale de lumière courte mais intense. La propriété est précieuse pour les applications d’optique quantique, mais extrêmement difficile à obtenir à température ambiante et pendant des intervalles suffisamment longs pour être utile.
Le matériau en question – une nanoparticule de conversion ascendante dopée aux lanthanides, ou UCNP – a été synthétisé par l’équipe de recherche dans le but de créer un matériau optique « plus brillant ». Ils ont produit des cristaux céramiques hexagonaux d’une taille allant de 50 nanomètres (nm) à 500 nm et ont commencé à tester leurs propriétés laser, ce qui a abouti à plusieurs percées impressionnantes.
Les chercheurs recherchaient initialement le laser, où la lumière émise par un atome en stimule un autre pour qu’il émette plus de la même lumière. Cependant, ils ont plutôt trouvé une superfluorescence, où d’abord tous les atomes s’alignent, puis émettent ensemble.
« Lorsque nous avons excité le matériau à différentes intensités laser, nous avons constaté qu’il émettait trois impulsions de superfluorescence à intervalles réguliers pour chaque excitation », explique Shuang Fang Lin, professeur agrégé de physique à la North Carolina State University et co-auteur correspondant de la recherche. . « Et les impulsions ne se dégradent pas – chaque impulsion dure 2 nanosecondes. Ainsi, non seulement l’UCNP présente une superfluorescence à température ambiante, mais il le fait d’une manière qui peut être contrôlée. »
La superfluorescence à température ambiante est difficile à obtenir car il est difficile pour les atomes d’émettre ensemble sans être «éjectés» hors de l’alignement par l’environnement. Dans un UCNP, cependant, la lumière provient d’orbitales d’électrons « enfouies » sous d’autres électrons, qui agissent comme un bouclier et permettent une superfluorescence même à température ambiante.
De plus, la superfluorescence de l’UCNP est technologiquement excitante car elle est décalée anti-Stokes, ce qui signifie que les longueurs d’onde émises de la lumière sont plus courtes et plus énergétiques que les longueurs d’onde qui déclenchent la réponse.
« De telles émissions de superfluorescence anti-Stokes shift intenses et rapides sont parfaites pour de nombreux matériaux pionniers et plates-formes de nanomédecine », déclare Gang Han, professeur de biochimie et de biotechnologie moléculaire à l’Université du Massachusetts Chan Medical School et co-auteur correspondant de la recherche. « Par exemple, les UCNP ont été largement utilisés dans des applications biologiques allant de la biodétection sans bruit de fond, la nanomédecine de précision et l’imagerie des tissus profonds, à la biologie cellulaire, la physiologie visuelle et l’optogénétique.
« Cependant, un défi pour les applications UCNP actuelles est leur émission lente, ce qui rend souvent la détection complexe et sous-optimale. Mais la vitesse de superfluorescence anti-Stokes change complètement la donne : 10 000 fois plus rapide que la méthode actuelle. la nanoparticule fournit une solution révolutionnaire à la bioimagerie et aux photothérapies qui attendent une source de lumière propre, rapide et intensive. »
Les qualités uniques de l’UCNP pourraient conduire à son utilisation dans de nombreuses applications.
« Premièrement, le fonctionnement à température ambiante rend les applications beaucoup plus faciles », déclare Lim. « Et à 50 nm, c’est le plus petit média superfluorescent existant actuellement. Puisque nous pouvons contrôler les impulsions, nous pourrions utiliser ces cristaux comme minuteries, neurocapteurs ou transistors sur des micropuces, par exemple. Et des cristaux plus gros pourraient nous donner un contrôle encore meilleur sur les impulsions. »
L’article « Room Temperature Upconverted Superfluorescence » apparaît dans Photonique de la nature.
Kai Huang et al, Superfluorescence convertie à température ambiante, Photonique de la nature (2022). DOI : 10.1038/s41566-022-01060-5