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 fotones de energía superior. Crédito:Mikołaj Łukaszewicz / Academia de Ciencias de Polonia
Investigadores de Columbia Engineering informan hoy que han desarrollado el primer nanomaterial que demuestra "avalancha de fotones, "un proceso que no tiene rival en su combinación de comportamiento y eficiencia ópticos no lineales extremos. La realización de avalanchas de fotones en forma de nanopartículas abre una serie de aplicaciones muy solicitadas, de microscopía óptica de superresolución en tiempo real, detección precisa de temperatura y medio ambiente, y detección de luz infrarroja, a la conversión óptica analógica a digital y la 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 por Naturaleza . "Estudiamos estas nuevas nanopartículas a nivel de nanopartículas individuales, permitiéndonos demostrar que el comportamiento de avalancha puede ocurrir en nanomateriales. Esta exquisita sensibilidad podría ser increíblemente transformadora. Por ejemplo, imagina si pudiéramos sentir cambios en nuestro entorno químico, como variaciones o presencia real de especies moleculares. Incluso podríamos detectar el coronavirus y otras enfermedades ".
Los procesos de avalancha, donde una cascada de eventos se desencadena por una serie de pequeñas perturbaciones, se encuentran en una amplia gama de fenómenos más allá de los deslizamientos de nieve, incluyendo el estallido de burbujas de champán, explosiones nucleares, lasing 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 la 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 "upconverted, "cada uno de mayor energía (de color más azul) que el fotón absorbido individual. 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 lugares específicos en las profundidades del tejido, dondequiera que se coloquen las nanopartículas en avalancha.
El comportamiento de avalancha de fotones (AP) 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 a fotónica, sensores ópticos, y dispositivos de visión nocturna. El comportamiento de PA es similar al de un transistor en electrónica, donde un pequeño cambio en un voltaje de entrada da como resultado un gran cambio en la corriente de salida, proporcionando la amplificación necesaria para el funcionamiento de casi todos los dispositivos electrónicos. 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 la AP en los sistemas Ln ha sido difícil:requiere interacciones cooperativas entre muchos iones Ln y al mismo tiempo moderar 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 PA.
En este nuevo estudio, Schuck y su equipo internacional de colaboradores, incluyendo los grupos de Bruce Cohen y Emory Chan (The Molecular Foundry, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley), Artur Bednarkiewicz (Academia de Ciencias de Polonia), y Yung Doug Suh (Instituto de Investigación de Tecnología Química de Corea y Universidad de Sungkyunkwan), demostró que mediante la implementación de algunas innovaciones clave en el diseño de nanopartículas, como determinados contenidos y especies de lantánidos, pudieron 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 previamente en nanocristales de lantánidos. Esta extraordinaria respuesta significa que las nanopartículas en avalancha (ANP) son muy prometedoras como sensores, Dado que un pequeño cambio en el entorno local puede provocar que las partículas emitan 100-10, 000 veces más brillante. 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 sólo microscopía confocal de barrido simple.
A la izquierda:Imágenes experimentales PASSI (imágenes de superresolución de haz único de avalancha de fotones) de nanopartículas de avalancha dopadas con tulio separadas por 300 nanómetros. A la derecha:simulaciones PASSI del mismo material. Crédito:Laboratorio de Berkeley y Universidad de Columbia
"Los ANP nos permiten superar el límite de difracción de resolución para microscopía óptica por un margen significativo, y lo hacen esencialmente gratis, debido a su comportamiento marcadamente no lineal, "Explica Schuck.
El autor principal del estudio, Changhwan Lee, quien es un Ph.D. estudiante 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 ha sido alcanzable.
"Estamos muy entusiasmados con nuestros hallazgos, "dice Schuck." Esperamos que conduzcan a todo tipo de nuevas aplicaciones revolucionarias en la detección, imagen y detección de luz. También pueden resultar críticos en futuros chips de procesamiento de información óptica, con ANP que proporcionan la respuesta similar a un amplificador y una pequeña huella espacial típica de un solo transistor en un circuito electrónico ".
El estudio se titula "Respuestas ópticas no lineales gigantes de nanopartículas de avalancha de fotones".
