Se desarrolla el primer nanomaterial que demuestra una “avalancha de fotones”: comportamiento y eficiencia ópticos no lineales extremos

Una ilustración del proceso de reacción en cadena que subyace al mecanismo de avalancha de fotones que los investigadores de Columbia Engineering han realizado en sus nanopartículas. En este proceso, la absorción de un solo fotón de baja energía desencadena una reacción en cadena de transferencias de energía y más eventos de absorción que dan como resultado muchos iones altamente excitados dentro de la nanopartícula, que luego liberan su energía en la intensa emisión de muchos iones de alta energía. fotones. Crédito: Mikolaj Lukaszewicz / Academia de Ciencias de Polonia

Los investigadores desarrollan el primer nanomaterial que demuestra una “avalancha de fotones”; El hallazgo podría conducir a nuevas aplicaciones en sensores, imágenes y detección de luz.

Investigadores de Columbia Engineering informan hoy que han desarrollado el primer nanomaterial que demuestra la “avalancha de fotones”, un proceso que no tiene rival en su combinación de comportamiento óptico no lineal extremo y eficiencia. La realización de avalanchas de fotones en forma de nanopartículas abre una gran cantidad de aplicaciones solicitadas, desde microscopía óptica de súper resolución en tiempo real, detección precisa de temperatura y ambiente y detección de luz infrarroja, hasta conversión óptica analógica a digital y detección cuántica. .

“Nadie ha visto un comportamiento de avalancha como este en nanomateriales antes”, dijo James Schuck, profesor asociado de ingeniería mecánica, quien dirigió el estudio publicado hoy (13 de enero de 2021) por Naturaleza. “Estudiamos estas nuevas nanopartículas a nivel de una sola nanopartícula, lo que nos permite demostrar que el comportamiento de avalancha puede ocurrir en nanomateriales. Esta exquisita sensibilidad podría ser increíblemente transformadora. Por ejemplo, imagine si pudiéramos sentir cambios en nuestro entorno químico, como variaciones o la presencia real de especies moleculares. Incluso podríamos detectar el coronavirus y otras enfermedades “.

Los procesos de avalancha, donde una serie de pequeñas perturbaciones desencadenan una cascada de eventos, se encuentran en una amplia gama de fenómenos más allá de los deslizamientos de nieve, que incluyen el estallido de burbujas de champán, explosiones nucleares, rayos láser, redes neuronales e incluso crisis financieras. La avalancha es un ejemplo extremo de un proceso no lineal, en el que un cambio en la entrada o excitación conduce a un cambio desproporcionado, a menudo desproporcionadamente grande, en la señal de salida. Por lo general, se requieren grandes volúmenes de material para la generación eficiente de señales ópticas no lineales, y este también había sido el caso de la avalancha de fotones, hasta ahora.

En óptica, la avalancha de fotones es el proceso en el que la absorción dentro de un cristal de un solo fotón da como resultado la emisión de muchos. Los investigadores han utilizado la avalancha de fotones en láseres especializados, donde la absorción de fotones desencadena una reacción en cadena de eventos ópticos que finalmente conducen a un láser eficiente.

De particular interés para los investigadores es que la absorción de un solo fotón conduce no solo a una gran cantidad de fotones emitidos, sino también a una propiedad sorprendente: los fotones emitidos son “convertidos hacia arriba”, cada uno más alto en energía (de color más azul) que el fotón único absorbido. Los científicos pueden usar longitudes de onda en la región infrarroja del espectro óptico para crear grandes cantidades de fotones de mayor energía que son mucho mejores para inducir los cambios químicos deseados, como matar las células cancerosas, en ubicaciones específicas dentro de los tejidos, dondequiera que se coloquen las nanopartículas en avalancha. .

El comportamiento de avalancha de fotones (PA) atrajo un interés significativo hace más de 40 años cuando los investigadores reconocieron que su extrema no linealidad podría impactar ampliamente en numerosas tecnologías, desde láseres de conversión ascendente eficientes hasta fotónica, sensores ópticos y dispositivos de visión nocturna. El comportamiento de PA es similar al de un transistor en la electrónica, donde un pequeño cambio en un voltaje de entrada resulta en un gran cambio en la corriente de salida, proporcionando la amplificación necesaria para el funcionamiento de casi todos los dispositivos electrónicos. La PA permite que ciertos materiales funcionen esencialmente como transistores ópticos.

El PA se ha estudiado casi exclusivamente en materiales basados ​​en lantánidos (Ln) debido a sus propiedades ópticas únicas que les permiten almacenar energía óptica durante períodos de tiempo relativamente largos. Sin embargo, lograr PA en sistemas Ln ha sido difícil: requiere interacciones cooperativas entre muchos iones Ln al mismo tiempo que modera las vías de pérdida y, por lo tanto, se ha limitado a materiales a granel y agregados, a menudo a bajas temperaturas.

Estas limitaciones han relegado el estudio fundamental y el uso de la AP a un papel de nicho en la ciencia fotónica, y han llevado a los investigadores a centrarse casi exclusivamente durante la última década en otros mecanismos de conversión ascendente en el desarrollo de materiales, a pesar de las ventajas incomparables que ofrece la AP.

En este nuevo estudio, Schuck y su equipo internacional de colaboradores, incluidos los grupos de Bruce Cohen y Emory Chan (The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Lab), Artur Bednarkiewicz (Academia Polaca de Ciencias) y Yung Doug Suh (Instituto de Investigación de Corea) de Tecnología Química y la Universidad de Sungkyunkwan), demostró que al implementar algunas innovaciones clave en el diseño de nanopartículas, como el contenido y las especies de lantánidos seleccionados, podrían sintetizar con éxito nuevos nanocristales de 20 nm que demuestran la avalancha de fotones y su extrema no linealidad.

El equipo observó que la respuesta óptica no lineal en estas nanopartículas en avalancha se escala como la potencia 26 de la intensidad de la luz incidente: un cambio del 10% en la luz incidente provoca un cambio de más del 1000% en la luz emitida. Esta no linealidad supera con creces las respuestas informadas anteriormente en nanocristales de lantánidos. Esta extraordinaria respuesta significa que las nanopartículas en avalancha (ANP) son muy prometedoras como sensores, ya que un pequeño cambio en el entorno local puede hacer que las partículas emitan entre 100 y 10.000 veces más brillo. Los investigadores también encontraron que esta respuesta no lineal gigante en los ANP permite obtener imágenes ópticas de longitud de onda profunda (con los ANP utilizados como sondas luminiscentes o agentes de contraste), utilizando solo microscopía confocal de barrido simple.

“Los ANP nos permiten superar el límite de difracción de resolución para microscopía óptica por un margen significativo, y lo hacen esencialmente de forma gratuita, debido a su comportamiento marcadamente no lineal”, explica Schuck.

El autor principal del estudio, Changhwan Lee, quien es estudiante de doctorado en el grupo de Schuck, agrega: “La extrema no linealidad en un solo ANP transforma un microscopio confocal convencional en el sistema de imágenes de superresolución más nuevo”.

Schuck y su equipo ahora están trabajando en cómo utilizar este comportamiento no lineal sin precedentes para detectar cambios en el entorno, como fluctuaciones de temperatura, presión, humedad, con una sensibilidad que aún no se ha podido lograr.

“Estamos muy entusiasmados con nuestros hallazgos”, dice Schuck. “Esperamos que conduzcan a todo tipo de nuevas aplicaciones revolucionarias en la detección, generación de imágenes y detección de luz. También pueden resultar críticos en futuros chips de procesamiento de información óptica, con ANP que brindan la respuesta similar a un amplificador y una pequeña huella espacial típica de un solo transistor en un circuito electrónico “.

Referencia: “Respuestas ópticas no lineales gigantes de nanopartículas de avalancha de fotones” Changhwan Lee, Emma Xu, Yawei Liu, Ayelet Teitelboim, Kaiyuan Yao, Angel Fernandez-Bravo, Agata Kotulska, Sang Hwan Nam, Yung Doug Suh, Artur Bednarkiewicz, Bruce E. Cohen , Emory M. Chan y P. James Schuck, 13 de enero de 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-020-03092-9

Los autores son: Changhwan Lee1, Emma Xu1, Yawei Liu2,3, Ayelet Teitelboim2, Kaiyuan Yao1, Angel Fernandez-Bravo2, Agata Kotulska4, Sang Hwan Nam5, Yung Doug Suh5,6, Artur Bednarkiewicz4, Bruce E. Cohen2,7, Emory M . Chan2 y P. James Schuck1
1 Departamento de Ingeniería Mecánica, Columbia Engineering
2 The Molecular Foundry, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
3 Laboratorio estatal clave de utilización de recursos de tierras raras, Instituto de Química Aplicada de Changchun, Academia de Ciencias de China
4 Instituto de Investigación de Estructuras y Baja Temperatura, Academia Polaca de Ciencias
5 Laboratorio de Sondeo Molecular Avanzado, Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea
6 Escuela de Ingeniería Química, Universidad Sungkyunkwan, Corea del Sur.
7 División de Biofísica Molecular y Bioimagen Integrada, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley

El estudio fue apoyado por el Programa de Laboratorio de Investigación Global a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea financiada por el Ministerio de Ciencia y TIC (n. ° 2016911815). También proporcionó apoyo Programmable Quantum Materials, un centro de investigación de frontera energética en Universidad de Colombia financiado por el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Oficina de Ciencias, Ciencias de la Energía Básica (BES), con el premio DE-SC0019443. El trabajo en la Fundición Molecular fue apoyado por la Oficina de Ciencias, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, del Departamento de Energía de los Estados Unidos bajo el Contrato No. DE-AC02-05CH11231.