Pesquisadores que procuravam sintetizar uma nanopartícula mais brilhante e estável para aplicações ópticas descobriram que sua criação exibia uma propriedade mais surpreendente:explosões de superfluorescência que ocorreram tanto à temperatura ambiente quanto em intervalos regulares. O trabalho pode levar ao desenvolvimento de microchips, neurossensores ou materiais mais rápidos para uso em aplicações de computação quântica, bem como vários estudos biológicos.
A superfluorescência ocorre quando os átomos dentro de um material sincronizam e simultaneamente emitem uma explosão de luz curta, mas intensa. A propriedade é valiosa para aplicações ópticas quânticas, mas extremamente difícil de alcançar à temperatura ambiente e para intervalos longos o suficiente para serem úteis.

O material em questão - nanopartícula de conversão ascendente dopada com lantanídeo, ou UCNP - foi sintetizada pela equipe de pesquisa em um esforço para criar um material óptico "mais brilhante". Eles produziram cristais cerâmicos hexagonais variando de 50 nanômetros (nm) a 500 nm de tamanho e começaram a testar suas propriedades de laser, o que resultou em vários avanços impressionantes.

Os pesquisadores estavam inicialmente procurando por laser, onde a luz emitida por um átomo estimula outro a emitir mais da mesma luz. No entanto, eles encontraram superfluorescência, onde primeiro todos os átomos se alinham e depois emitem juntos.

“Quando excitamos o material em diferentes intensidades de laser, descobrimos que ele emite três pulsos de superfluorescência em intervalos regulares para cada excitação”, diz Shuang Fang Lin, professor associado de física da North Carolina State University e co-autor correspondente da pesquisa. . "E os pulsos não se degradam - cada pulso tem 2 nanossegundos de duração. Portanto, o UCNP não apenas exibe superfluorescência à temperatura ambiente, como também o faz de uma maneira que pode ser controlada."

A superfluorescência à temperatura ambiente é difícil de alcançar porque é difícil para os átomos emitirem juntos sem serem "chutados" para fora do alinhamento pelos arredores. Em um UCNP, no entanto, a luz vem de orbitais de elétrons "enterrados" sob outros elétrons, que atuam como um escudo e permitem a superfluorescência mesmo à temperatura ambiente.

Além disso, a superfluorescência da UCNP é tecnologicamente excitante porque é anti-Stokes deslocada, o que significa que os comprimentos de onda de luz emitidos são de energia mais curta e mais alta do que os comprimentos de onda que iniciam a resposta.

“Tais intensas e rápidas emissões de superfluorescência anti-Stokes são perfeitas para vários materiais pioneiros e plataformas de nanomedicina”, diz Gang Han, professor de bioquímica e biotecnologia molecular da Faculdade de Medicina Chan da Universidade de Massachusetts e co-autor correspondente da pesquisa. "Por exemplo, os UCNPs têm sido amplamente utilizados em aplicações biológicas que vão desde biossensores sem ruído de fundo, nanomedicina de precisão e imagens de tecidos profundos, até biologia celular, fisiologia visual e optogenética.

"No entanto, um desafio para as atuais aplicações UCNP é sua emissão lenta, que muitas vezes torna a detecção complexa e subótima. nanoparticle fornece uma solução revolucionária para bioimagem e fototerapias que aguardam uma fonte de luz limpa, rápida e intensiva."

As qualidades únicas do UCNP podem levar ao seu uso em inúmeras aplicações.

"Primeiro, a operação à temperatura ambiente torna as aplicações muito mais fáceis", diz Lim. "E a 50 nm, este é o menor meio superfluorescente atualmente existente. Como podemos controlar os pulsos, podemos usar esses cristais como temporizadores, neurossensores ou transistores em microchips, por exemplo. E cristais maiores podem nos dar um controle ainda melhor sobre os pulsos."

O artigo, "Room Temperature Upconverted Superfluorescence", aparece em Nature Photonics . + Explorar mais

A perovskita comum superfluoresce em altas temperaturas