哥伦比亚大学工程和应用科学学院 哥伦比亚工程研究人员在其纳米粒子中发现了光子雪崩机制背后的连锁反应过程
在这个过程中，单个低能量光子的吸收引发了能量转移和进一步吸收事件的连锁反应，导致纳米粒子中的许多高度引用的离子，然后这些离子在许多高能量光子的强烈发射中释放它们的能量
学分:波兰科学院 哥伦比亚工程公司的研究人员今天报告说，他们已经开发出第一种展示“光子雪崩”的纳米材料，这种过程在极端非线性光学行为和效率的结合方面是无与伦比的
实现纳米粒子形式的光子雪崩开辟了一系列受欢迎的应用，从实时超分辨率光学显微镜、精确的温度和环境传感、红外光检测，到光学模数转换和量子传感
“以前没有人在纳米材料中见过这样的雪崩行为，”机械工程副教授詹姆斯·舒克说，他领导了今天发表在《自然》杂志上的这项研究
“我们在单纳米粒子水平上研究了这些新的纳米粒子，这使我们能够证明雪崩行为可以发生在纳米材料中
这种微妙的敏感性可能会带来难以置信的变革
例如，想象一下，如果我们能够感知化学环境的变化，比如分子物种的变化或实际存在
我们甚至可以检测冠状病毒和其他疾病
" 雪崩过程——一连串的事件是由一系列小扰动触发的——存在于雪堆以外的广泛现象中，包括香槟气泡的破裂、核爆炸、激光、神经元网络，甚至金融危机
雪崩是非线性过程的一个极端例子，其中输入或激励的变化导致输出信号的不成比例的——通常是不成比例的大的——变化
高效产生非线性光学信号通常需要大量的材料，直到现在，光子雪崩也是如此
在光学中，光子雪崩是一个过程，在这个过程中，单个光子在晶体中的吸收导致许多光子的发射
研究人员在专用激光器中使用光子雪崩，光子吸收引发光学事件的连锁反应，最终导致有效的激光发射
研究人员特别注意的是，单个光子的吸收不仅会导致大量的发射光子，还会导致一种超增特性:发射的光子被“上转换”，每一个光子的能量都比单个吸收的光子高(颜色更蓝)
科学家可以利用光谱中红外区域的波长产生大量更高能量的光子，这些光子在组织深处的目标位置更好地诱导所需的化学变化，例如杀死癌细胞，无论雪崩纳米粒子位于何处
40多年前，光子雪崩(PA)行为引起了人们极大的兴趣，当时研究人员认识到它的极端非线性可以广泛影响许多技术，从高效的上转换激光器到光子学、光学传感器和夜视设备
功率放大器的行为类似于电子设备中的晶体管，输入电压的微小变化会导致输出电流的巨大变化，为几乎所有电子设备的运行提供必要的放大
功率放大器使某些材料基本上能起到光晶体管的作用
基于镧系元素的材料由于其独特的光学性质使得其能够存储光能相对较长的时间，因此几乎只对光放大器进行了研究
然而，在Ln系统中实现PA一直是困难的——它需要许多Ln离子之间的协同相互作用，同时也缓和了损失途径，因此仅限于散装材料和聚集体，通常是在低温下
这些限制使得光子学的基础研究和应用在光子科学中处于特殊地位，并导致研究人员在过去的十年中几乎完全专注于材料开发中的其他上转换机制，尽管光子学具有无可匹敌的优势
在这项新的研究中，舒克和他的国际合作团队，包括布鲁斯·科恩和埃默里陈(分子铸造，劳伦斯伯克利国家实验室)，阿图尔贝德纳奇维奇(波兰科学院)，和容道苏(韩国化学技术研究所和成均馆大学)，表明通过实施一些关键的纳米粒子设计创新，如选择镧系元素含量和物种，他们可以成功地合成新的20纳米纳米纳米晶体，证明光子雪崩及其极端非线性
研究小组观察到，这些雪崩纳米颗粒的非线性光学响应与入射光强度的26次方成比例——入射光10%的变化导致发射光1000%以上的变化
这种非线性远远超过了先前在镧系纳米晶体中报道的响应
这种非同寻常的反应意味着雪崩纳米粒子(ANPs)作为传感器显示出巨大的前景，因为局部环境的微小变化可以导致粒子发出100-10000倍的光
研究人员还发现，心钠素的这种巨大的非线性响应使得仅使用简单的扫描共聚焦显微镜就可以进行深度亚波长光学成像(心钠素被用作发光探针或造影剂)
左图:实验性的掺铥雪崩纳米粒子的光子雪崩单束超分辨率成像图像，间隔300纳米
右图:同一种材料的PASSI模拟
学分:伯克利实验室和哥伦比亚大学 “ANPs使我们能够以显著的优势超过光学显微镜的分辨率衍射极限，并且由于它们急剧的非线性行为，它们基本上是免费的，”舒克解释说
这项研究的主要作者李长焕博士
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舒克小组的一名学生补充道:“单个心钠素的极端非线性将传统的共焦显微镜转变为最新的超分辨率成像系统
" 舒克和他的团队现在正在研究如何利用这种前所未有的非线性行为来感知环境的变化，例如温度、压力、湿度的波动，其灵敏度还没有达到
“我们对我们的发现非常兴奋，”舒克说
“我们希望它们能在传感、成像和光探测领域带来各种革命性的新应用
它们在未来的光学信息处理芯片中也可能被证明是至关重要的，因为ANPs提供了类似放大器的响应和电子电路中单个晶体管典型的小空间覆盖区
" 这项研究的题目是“光子雪崩纳米粒子的巨大非线性光学响应”
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