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研究人员希望合成一种更明亮、更稳定的用于光学应用的纳米粒子，他们发现这种物质反而表现出一种更令人惊讶的特性:在室温下和有规律的间隔下都能发生超荧光爆发。这项工作可能导致开发更快的微芯片、神经传感器或用于量子计算应用的材料，以及一些生物学研究。
当材料中的原子同步并同时发出短暂但强烈的光爆发时，就会发生超荧光。这一性质对于量子光学应用是很有价值的，但是在室温和足够长的时间间隔下要达到这一性质是极其困难的。
研究小组合成了这种材料——镧掺杂上转换纳米粒子(UCNP)，目的是为了创造一种“更亮”的光学材料。他们生产了50纳米到500纳米不等的六边形陶瓷晶体，并开始测试它们的激光性能，结果取得了几项令人印象深刻的突破。
研究人员最初寻找的是激光，即一个原子发出的光刺激另一个原子发出更多相同的光。然而，他们却发现了超荧光，首先所有的原子排成一列，然后一起发射。
“当我们用不同的激光强度激发材料时，我们发现它每隔一定时间就会发出三个超荧光脉冲，”北卡罗莱纳州立大学的物理学副教授、该研究的共同通讯作者林双芳说。“而且脉冲不会减弱——每个脉冲只有2纳秒长。所以UCNP不仅在室温下表现出超荧光，而且以一种可以控制的方式表现出来。”
室温超荧光很难实现，因为原子很难在不被周围环境“踢”出对齐的情况下一起发射。然而，在UCNP中，光来自于“埋在”其他电子下面的电子轨道，这些电子轨道起到屏蔽作用，即使在室温下也能产生超荧光。
此外，UCNP的超荧光在技术上是令人兴奋的，因为它是反斯托克斯位移的，这意味着发射的光的波长比激发反应的波长更短，能量更高。
马萨诸塞大学陈医学院生物化学和分子生物技术教授韩刚(音译)说:“这种强烈和快速的反斯托克斯位移超荧光发射对于许多开创性材料和纳米医学平台来说是完美的。”韩刚是该研究的共同通讯作者。例如，UCNPs已广泛应用于生物应用领域，从背景无噪声生物传感、精密纳米医学和深层组织成像，到细胞生物学、视觉生理学和光遗传学。
“然而，目前UCNP应用的一个挑战是其缓慢的发射，这通常使检测变得复杂和次优。但反斯托克斯位移超荧光的速度完全改变了游戏规则:比目前的方法快10,000倍。我们相信这种超荧光纳米颗粒为生物成像和光疗法提供了革命性的解决方案，等待清洁、快速和强光源。”
UCNP的独特特性可以使它在许多应用中得到应用。
“首先，室温操作使应用更容易，”Lim说。“在50纳米波长下，这是目前存在的最小的超荧光介质。因为我们可以控制脉冲，我们可以使用这些晶体作为计时器、神经传感器或微芯片上的晶体管。更大的晶体可以让我们更好地控制脉冲。”
论文《室温上转化超荧光》发表于自然光子学．该研究由美国陆军研究办公室根据W911NF2110283项目支持。黄凯，马萨诸塞大学陈医学院博士后研究员，第一作者。
皮克-
编辑报告论文摘要如下。
“室温上转化超荧光”
DOI: 10.1038 / s41566 - 022 - 01060 - 5
作者:黄凯、黄玲、韩刚，马萨诸塞大学陈医学院;Kory Kevin Green, Hans Hallen，双方Lim，北卡罗来纳州立大学
发表: 2022年8月29日自然光子学
摘要：
超荧光(SF)是一种独特的量子光学，由自组织和合作耦合的发射器组装而成。SF产生短暂而强烈的光爆发，适合于纳米光子学和光学计算的各种应用。然而，由于合作发射极耦合的前提条件，在有限系统(如原子气体、钙钛矿纳米晶体超晶格)的低温条件下，常规地以斯托克斯位移方式观察到SF。在这里，我们展示了室温反斯托克斯位移的SF是在几个随机组装或在一个单一的稀土掺杂上转换纳米颗粒(UCNP)中实现的。此外，上转换的SF具有10000倍的加速纳秒寿命(?= 46纳斯的SF vs。= 455.8 ?s的正常上转换发光)，克服了传统上转换系统的缓慢衰减。因此，室温抗stokes SF不仅为超快上转换奠定了基础，也为被现有超荧光系统限制的广泛应用铺平了直接的道路。
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