Pesquisadores da Columbia Engineering relatam hoje que desenvolveram o primeiro nanomaterial que demonstra "avalanche de fótons, "um processo incomparável em sua combinação de comportamento ótico não linear extremo e eficiência. A realização da avalanchagem de fótons na forma de nanopartículas abre uma série de aplicações procuradas, da microscopia óptica de super-resolução em tempo real, temperatura precisa e detecção ambiental, e detecção de luz infravermelha, para conversão ótica analógico-digital e detecção quântica.

"Ninguém viu um comportamento de avalanche como esse em nanomateriais antes, "disse James Schuck, professor associado de engenharia mecânica, que liderou o estudo publicado hoje por Natureza . "Nós estudamos essas novas nanopartículas no nível de uma única nanopartícula, permitindo-nos provar que o comportamento de avalanche pode ocorrer em nanomateriais. Essa sensibilidade requintada pode ser incrivelmente transformadora. Por exemplo, imagine se pudéssemos sentir mudanças em nosso ambiente químico, como variações ou a presença real de espécies moleculares. Podemos até ser capazes de detectar o coronavírus e outras doenças. "

Os processos de avalanchagem - onde uma cascata de eventos é desencadeada por uma série de pequenas perturbações - são encontrados em uma ampla gama de fenômenos além dos deslizamentos de neve, incluindo o estouro de bolhas de champanhe, explosões nucleares, lasing, rede neuronal, e até crises financeiras. Avalanching é um exemplo extremo de um processo não linear, em que uma mudança na entrada ou excitação leva a uma mudança desproporcional - muitas vezes desproporcionalmente grande - no sinal de saída. Grandes volumes de material são geralmente necessários para a geração eficiente de sinais ópticos não lineares, e este também foi o caso da avalanche de fótons, até agora.

Na ótica, avalanche de fótons é o processo em que a absorção dentro de um cristal de um único fóton resulta na emissão de muitos. Os pesquisadores usaram avalanche de fótons em lasers especializados, onde a absorção de fótons desencadeia uma reação em cadeia de eventos ópticos que levam a um laser eficiente.

De particular interesse para os pesquisadores é que a absorção de apenas um único fóton leva não apenas a um grande número de fótons emitidos, mas também a uma propriedade surpreendente:os fótons emitidos são "convertidos para cima, "cada um com energia mais alta (cor mais azul) do que o único fóton absorvido. Os cientistas podem usar comprimentos de onda na região infravermelha do espectro óptico para criar grandes quantidades de fótons de alta energia que são muito melhores em induzir as mudanças químicas desejadas - como matando células cancerígenas - em locais-alvo nas profundezas do tecido, onde quer que as nanopartículas em avalanche estão posicionadas.

O comportamento de avalanchamento de fótons (PA) atraiu um interesse significativo há mais de 40 anos, quando os pesquisadores reconheceram que sua não linearidade extrema poderia impactar amplamente várias tecnologias, de lasers de upconverting eficientes para fotônicos, sensores ópticos, e dispositivos de visão noturna. O comportamento do PA é semelhante ao de um transistor na eletrônica, onde uma pequena mudança em uma tensão de entrada resulta em uma grande mudança na corrente de saída, fornecer a amplificação necessária para a operação de quase todos os dispositivos eletrônicos. PA permite que certos materiais funcionem essencialmente como transistores ópticos.

O PA foi estudado quase exclusivamente em materiais à base de lantanídeos (Ln) devido às suas propriedades ópticas únicas que os permitem armazenar energia óptica por períodos relativamente longos de tempo. Contudo, alcançar PA em sistemas Ln tem sido difícil - requer interações cooperativas entre muitos íons Ln, ao mesmo tempo que modera as vias de perda, e, portanto, foi limitado a materiais a granel e agregados, frequentemente em baixas temperaturas.

Essas limitações relegaram o estudo fundamental e o uso de PA a um nicho na ciência fotônica, e levaram os pesquisadores a se concentrarem quase exclusivamente na última década em outros mecanismos de conversão ascendente no desenvolvimento de materiais, apesar das vantagens incomparáveis ​​oferecidas pela PA.

Neste novo estudo, Schuck e sua equipe internacional de colaboradores, incluindo os grupos de Bruce Cohen e Emory Chan (The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Lab), Artur Bednarkiewicz (Academia Polonesa de Ciências), e Yung Doug Suh (Instituto de Pesquisa de Tecnologia Química da Coreia e Universidade Sungkyunkwan), mostraram que, ao implementar algumas inovações importantes no design de nanopartículas, como selecionar conteúdos e espécies de lantanídeos, eles poderiam sintetizar com sucesso novos nanocristais de 20 nm que demonstram avalanche de fótons e sua extrema não linearidade.

A equipe observou que a resposta ótica não linear nessas nanopartículas em avalanchamento é a 26ª potência da intensidade da luz incidente - uma mudança de 10% na luz incidente causa uma mudança de mais de 1000% na luz emitida. Esta não linearidade excede em muito as respostas relatadas anteriormente em nanocristais de lantanídeos. Esta resposta extraordinária significa que as nanopartículas em avalanche (ANPs) mostram uma grande promessa como sensores, uma vez que uma pequena mudança no ambiente local pode levar à emissão de partículas 100-10, 000 vezes mais brilhantemente. Os pesquisadores também descobriram que esta resposta não linear gigante em ANPs permite imagens ópticas profundamente abaixo do comprimento de onda (com os ANPs usados ​​como sondas luminescentes, ou agentes de contraste), usando apenas microscopia confocal de varredura simples.

"Os ANPs nos permitem superar o limite de difração de resolução para microscopia óptica por uma margem significativa, e eles fazem isso essencialmente de graça, devido ao seu comportamento não linear acentuado, "Schuck explica.

O principal autor do estudo, Changhwan Lee, quem é um Ph.D. aluno do grupo de Schuck, adiciona, "A extrema não linearidade em um único ANP transforma um microscópio confocal convencional no mais novo sistema de imagem de superresolução."

Schuck e sua equipe agora estão trabalhando em como usar esse comportamento não linear sem precedentes para detectar mudanças no ambiente, como flutuações de temperatura, pressão, umidade, com uma sensibilidade que ainda não foi alcançável.

"Estamos muito entusiasmados com nossas descobertas, "diz Schuck." Esperamos que eles levem a todos os tipos de novas aplicações revolucionárias em detecção, imagem, e detecção de luz. Eles também podem ser críticos em futuros chips de processamento óptico de informações, com ANPs fornecendo uma resposta semelhante à de um amplificador e uma pequena pegada espacial típica de um único transistor em um circuito eletrônico. "

O estudo é intitulado "Respostas ópticas não lineares gigantes de nanopartículas com avalanche de fótons."