Dispositivos de emissão de luz ultravioleta fortes e coerentes têm um enorme potencial de aplicação médica e industrial, mas gerar emissão de luz ultravioleta de maneira eficaz tem sido um desafio. Recentemente, uma equipe de pesquisa colaborativa co-liderada por pesquisadores da City University of Hong Kong (CityU) desenvolveu uma nova abordagem para gerar laser ultravioleta profundo por meio de um processamento de "conversão ascendente dominó" de nanopartículas usando luz infravermelha próxima, que é comumente usada em dispositivos de telecomunicações. As descobertas fornecem uma solução para a construção de lasers de alta energia miniaturizados para biodetecção e dispositivos fotônicos.
No mundo dos nanomateriais, "upconversion de fótons" significa que quando o nanomaterial é excitado por luz ou fótons com comprimento de onda longo e baixa energia, ele emite luz com comprimento de onda mais curto e energia mais alta, como a luz ultravioleta.

Desafio em alcançar a conversão ascendente de fótons

A conversão ascendente de fótons caracterizada pela emissão de alta energia após a excitação de fótons de baixa energia é de interesse excepcional entre os cientistas. Isso porque possui potencial para a construção econômica de dispositivos miniaturizados de emissão de ultravioleta profundo, que têm enorme potencial de aplicação médica e industrial, como esterilização microbiana e instrumentação biomédica. No entanto, o processo de upconversion de fótons tem flexibilidade limitada, pois ocorre principalmente em íons lantanídeos especiais compreendendo conjuntos fixos de níveis de energia.

Uma equipe de pesquisa co-liderada pelo professor Wang Feng, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, e pelo professor Chu Sai-tak, do Departamento de Física da CityU, juntamente com o Dr. Jin Limin do Harbin Institute of Technology (Shenzhen), superou o obstáculo introduzindo uma tática de "conversão ascendente do dominó".

Design estrutural especial de nanopartículas

A conversão ascendente do dominó é como uma reação em cadeia, na qual a energia acumulada em um curso de conversão ascendente desencadeia outro processo de conversão ascendente subsequente. Usando um microrressonador em forma de rosquinha, incorporado com "nanopartículas de conversão ascendente" especialmente projetadas, a equipe gerou com sucesso uma emissão de luz ultravioleta profunda de alta energia a 290 nm pela excitação de fótons infravermelhos de baixa energia a 1550 nm.

“Como o comprimento de onda de excitação estava na faixa de comprimento de onda de telecomunicações, as nanopartículas podem ser prontamente usadas e integradas à comunicação de fibra óptica e circuitos fotônicos existentes sem modificação ou adaptação complicada”, disse o professor Wang. As descobertas foram publicadas na revista Nature Communications , intitulado "Ultralge anti-Stokes lasing through tandem upconversion."

A ideia de construir uma "conversão ascendente de dominó" foi inspirada em um estudo anterior de transferência de energia em nanopartículas core-shell dos professores Wang e Chu. O design da estrutura core-shell da nanopartícula permite o processo de luminescência multifóton em érbio (Er ³⁺ ) íons. Ao adaptar um protocolo sintético semelhante, a equipe construiu com sucesso nanopartículas "core-shell-shell" por meio de um método de química úmida para explorar o mecanismo de transferência de energia de íons lantanídeos, incluindo túlio (Tm ³⁺ ) íons.

Microressonador em forma de rosquinha

Por meio do design cuidadoso da composição e concentração de dopagem em diferentes camadas ou conchas das nanopartículas de conversão ascendente, a equipe conseguiu uma combinação em tandem de Er ³⁺ e Tm ³⁺ processos de upconversion baseados em íons (upconversion dominó). No experimento, o Er ³⁺ os íons contidos na camada externa responderam à excitação de fótons no infravermelho próximo de 1550 nm, um comprimento de onda localizado na faixa de telecomunicações. Ao incorporar as nanopartículas em uma cavidade de microrressonador em forma de rosquinha, a equipe gerou ainda um microlaser ultravioleta de alta qualidade, demonstrando a ação do laser em 289 nm por 1550 nm de excitação.

"As nanopartículas de upconversion atuam como 'conversores de comprimento de onda' para multiplicar a energia dos fótons infravermelhos incidentes", explicou o professor Wang. Ele espera que as descobertas abram o caminho para a construção de lasers de comprimento de onda curto miniaturizados e diz que podem inspirar novas ideias para projetar circuitos fotônicos. Ele acrescentou que o laser ultravioleta miniaturizado usando essa tecnologia de conversão ascendente do dominó pode fornecer uma plataforma para biodetecção sensível, como a detecção de secreção de células cancerígenas, monitorando a intensidade e o limiar do laser, o que oferece grande potencial de aplicação biomédica no futuro. + Explorar mais

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