W najnowszym numerze Nature naukowcy z INTiBS PAN we Wrocławiu (prof. dr hab. A. Bednarkiewicz i mgr inż. A. Kotulska) we współpracy z naukowcami z USA (Berkley Lawrence Lab. i Columbia Univ.) i Korei opisują w jaki sposób opracowali nowe nanomateriały koloidalne zdolne do lawinowej emisji fotonów. W procesie tym intensywność emisji wzrasta nieproporcjonalnie mocno (tj. lawinowo) w stosunku do intensywności pobudzenia - przypomina to zachowanie tranzystora albo zasadę działania lasera, ale odbywa się wykorzystując fotony z zakresu bliskiej podczerwieni.
Pierwszym i największym osiągnięciem pracy jest uzyskanie samych nanokryształów – tradycyjnie w materiałach luminescencyjnych domieszkowanych jonami lantanowców obserwuje się tzw. wygaszanie koncentracyjne, które powyżej 1% domieszki prowadzi do osłabienia intensywności świecenia. Autorzy pracy wykorzystali mechanizm lawinowej emisji wprowadzając aż 8% jonów tulu i uzyskując spektakularny wzrost intensywności świecenia powyżej progu – dwukrotne zwiększenie intensywności pobudzenia prowadziło wówczas do niemal 10 000 krotnego wzrostu intensywności emisji. Dzięki tej wysoce nieliniowej luminescencji anty-Stokesowskiej, naukowcy zademonstrowali możliwość super-rozdzielczego obrazowania struktur nanometrycznych w rozdzielczością 70 nm. Jednak w przeciwieństwie do tradycyjnych metod obrazowania poniżej limitu dyfrakcji, zamiast strukturyzowania wiązki wzbudzającej (jak w STED) czy wyrafinowanej obróbki sygnałów (jak w PALM/STORM) obrazowanie uzyskano z wykorzystaniem konwencjonalnego mikroskopu konfokalnego.
Mimo, że zjawisko lawinowej emisji fotonów jest znane w monokryształach domieszkowanych jonami lantanowców od lat 80 XX wieku, zaprezentowane w Nature badania pokazują po raz pierwszy możliwość obserwacji tego efektu w nanomateriałach koloidalnych. Uzyskane wyniki nie tylko definiują nowe kierunki badań materiałowych w celu opracowania kolejnych materiałów lawinowych o innych barwach emisji, ale przede wszystkim otwierają zupełnie nowe możliwości zastosowania nanotechnologii w konstrukcji czujników biologicznych (np. do wykrywania wirusów, bakterii czy grzybów, lub procesów biologicznych w komórkach i tkankach), czujników wielkości fizycznych (np. temperatury, ciśnienia), w obliczeniach neuromorficznych, konstrukcji detektorów promieniowania z zakresu średniej podczerwieni, nowych nano-laserów czy też, jak w oryginalnej pracy, obrazowania poniżej limitu dyfrakcji światła.
W badaniach brali udział naukowcy z Columbia University (USA) (grupa prof. Jamesa Schucka), Lawrence Berkeley National Laboratory (USA) (grupa prof. Emory Chana i prof.Burce Cohena), Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych Polskiej Akademii Nauk (Polska) (grupa prof. Artura Bednarkiewicza) oraz z Korea Research Institute of Chemical Technology (South Korea) (grupa prof. Yung Doug Suh).
Badania były finansowane z kilku źródeł. W Polsce badania są realizowane dzięki wsparciu Narodowego Centrum Nauki w ramach grantu OPUS16 Lantavalan (2018/3/B/ST5/01827), którym kieruje prof. dr hab. inż. Artur Bednarkiewicz z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu.
Publikacja:
„Giant nonlinear optical responses from photon-avalanching nanoparticles”, C. Lee, E. Z. Xu, Y. Liu, A. Teitelboim, K. Yao, A. Fernandez-Bravo, A. M. Kotulska, S. H. Nam, Y. D. Suh*, A. Bednarkiewicz*, B. E. Cohen*, E. M. Chan*, P. J. Schuck*, Nature 589, 230–235 (2021), DOI https://doi.org/10.1038/s41586-020-03092-9