Los investigadores que buscaban sintetizar una nanopartícula más brillante y más estable para aplicaciones ópticas descubrieron que su creación, en cambio, exhibía una propiedad más sorprendente:ráfagas de superfluorescencia que ocurrían tanto a temperatura ambiente como a intervalos regulares. El trabajo podría conducir al desarrollo de microchips, neurosensores o materiales más rápidos para su uso en aplicaciones de computación cuántica, así como una serie de estudios biológicos.

La superfluorescencia ocurre cuando los átomos dentro de un material se sincronizan y simultáneamente emiten un breve pero intenso estallido de luz. La propiedad es valiosa para aplicaciones ópticas cuánticas, pero extremadamente difícil de lograr a temperatura ambiente y durante intervalos lo suficientemente largos como para ser útil.

El equipo de investigación sintetizó el material en cuestión, nanopartículas de conversión ascendente dopadas con lantánidos, o UCNP, en un esfuerzo por crear un material óptico "más brillante". Produjeron cristales cerámicos hexagonales con un tamaño que oscilaba entre los 50 nanómetros (nm) y los 500 nm y comenzaron a probar sus propiedades láser, lo que resultó en varios avances impresionantes.

Inicialmente, los investigadores estaban buscando láser, donde la luz emitida por un átomo estimula a otro para que emita más de la misma luz. Sin embargo, en su lugar encontraron superfluorescencia, donde primero todos los átomos se alinean y luego emiten juntos.

"Cuando excitamos el material a diferentes intensidades de láser, descubrimos que emite tres pulsos de superfluorescencia a intervalos regulares para cada excitación", dice Shuang Fang Lin, profesor asociado de física en la Universidad Estatal de Carolina del Norte y coautor de la investigación. . "Y los pulsos no se degradan:cada pulso tiene una duración de 2 nanosegundos. Por lo tanto, el UCNP no solo exhibe superfluorescencia a temperatura ambiente, sino que lo hace de una manera que se puede controlar".

La superfluorescencia a temperatura ambiente es difícil de lograr porque es difícil que los átomos emitan juntos sin que el entorno los "desalinee". En un UCNP, sin embargo, la luz proviene de orbitales de electrones "enterrados" debajo de otros electrones, que actúan como un escudo y permiten la superfluorescencia incluso a temperatura ambiente.

Además, la superfluorescencia de UCNP es tecnológicamente emocionante porque tiene un desplazamiento anti-Stokes, lo que significa que las longitudes de onda de luz emitidas son más cortas y de mayor energía que las longitudes de onda que inician la respuesta.

"Estas emisiones de superfluorescencia anti-Stokes intensas y rápidas son perfectas para numerosos materiales pioneros y plataformas de nanomedicina", dice Gang Han, profesor de bioquímica y biotecnología molecular en la Facultad de Medicina Chan de la Universidad de Massachusetts y coautor de la investigación. "Por ejemplo, los UCNP se han utilizado ampliamente en aplicaciones biológicas que van desde biodetección sin ruido de fondo, nanomedicina de precisión e imágenes de tejidos profundos hasta biología celular, fisiología visual y optogenética.

"Sin embargo, un desafío para las aplicaciones UCNP actuales es su emisión lenta, lo que a menudo hace que la detección sea compleja y subóptima. Pero la velocidad de la superfluorescencia de cambio anti-Stokes es un cambio de juego completo:10 000 veces más rápido que el método actual. Creemos que esta superfluorescencia Las nanopartículas brindan una solución revolucionaria para la bioimagen y las fototerapias que esperan una fuente de luz limpia, rápida e intensa".

Las cualidades únicas de UCNP podrían conducir a su uso en numerosas aplicaciones.

"Primero, la operación a temperatura ambiente hace que las aplicaciones sean mucho más fáciles", dice Lim. "Y a 50 nm, este es el medio superfluorescente más pequeño que existe actualmente. Dado que podemos controlar los pulsos, podríamos usar estos cristales como temporizadores, neurosensores o transistores en microchips, por ejemplo. Y cristales más grandes podrían darnos un control aún mejor sobre las legumbres".

El artículo, "Room Temperature Upconverted Superfluorescence", aparece en Nature Photonics . + Explora más

Superfluorescencia de perovskita común a altas temperaturas