Сверхфлуоресценция возникает, когда атомы внутри материала синхронизируются и одновременно испускают короткую, но интенсивную вспышку света. Это свойство ценно для квантово-оптических применений, но его чрезвычайно трудно достичь при комнатных температурах и в течение достаточно длительных интервалов, чтобы быть полезным.

Материал, о котором идет речь, - наночастица с повышающим преобразованием, легированная лантаноидом, или UCNP, - был синтезирован исследовательской группой в попытке создать "более яркий" оптический материал. Они изготовили гексагональные керамические кристаллы размером от 50 до 500 нм и начали тестировать их свойства генерации, что привело к нескольким впечатляющим прорывам.

Первоначально исследователи искали генерацию, при которой свет, испускаемый одним атомом, стимулирует другой излучать больше того же света. Однако вместо этого они обнаружили сверхфлуоресценцию, при которой сначала все атомы выстраиваются в ряд, а затем излучают вместе.

"Когда мы возбуждали материал с разной интенсивностью лазера, мы обнаружили, что он испускает три импульса сверхвысокой яркости с регулярными интервалами для каждого возбуждения", - говорит Шуан Фанг Лин, адъюнкт-профессор физики в Университете штата Северная Каролина и соавтор исследования. "И импульсы не ухудшаются - каждый импульс длится 2 наносекунды. Таким образом, UCNP не только проявляет сверхфлуоресценцию при комнатных температурах, но и делает это таким образом, которым можно управлять ".

Сверхфлуоресценции при комнатной температуре трудно достичь, потому что атомам трудно излучать вместе, не будучи "выбитыми" из равновесия окружающей средой. Однако в UCNP свет исходит от электронных орбиталей, "погребенных" под другими электронами, которые действуют как экран и допускают сверхсвечение даже при комнатной температуре.

Кроме того, сверхфлуоресценция UCNP является технологически захватывающей, поскольку она имеет антистоксов сдвиг, что означает, что излучаемые длины волн света короче и имеют более высокую энергию, чем длины волн, которые инициируют реакцию.

"Такое интенсивное и быстрое излучение сверхфлуоресценции с антистоксовым сдвигом идеально подходит для многочисленных новаторских материалов и платформ наномедицины", - говорит Ган Хан, профессор биохимии и молекулярной биотехнологии в Медицинской школе Университета Массачусетса Чан и соавтор исследования. "Например, UCNP широко используются в биологических приложениях, начиная от биосенсорики без фонового шума, прецизионной наномедицины и визуализации глубоких тканей, до клеточной биологии, физиологии зрения и оптогенетики.

"Однако одной из проблем современных приложений UCNP является их медленное излучение, что часто делает обнаружение сложным и неоптимальным. Но скорость сверхчувствительности антистоксова сдвига полностью меняет правила игры: в 10 000 раз быстрее, чем при текущем методе. Мы считаем, что эта сверхфлуоресцентная наночастица обеспечивает революционное решение для биоимиджинга и фототерапии, которые требуют чистого, быстрого и интенсивного источника света ".

Уникальные качества UCNP могут привести к его использованию в многочисленных приложениях.

"Во-первых, работа при комнатной температуре значительно облегчает применение", - говорит Лим. "И при длине волны 50 нм это самая маленькая сверхфлуоресцентная среда, существующая в настоящее время. Поскольку мы можем управлять импульсами, мы могли бы использовать эти кристаллы, например, в качестве таймеров, нейросенсоров или транзисторов на микрочипах. А кристаллы большего размера могли бы дать нам еще лучший контроль над импульсами".