美国马萨诸塞大学研究小组联合发现新晶体管潜在材料！

在室温下实现超荧光的过程（图片来源：该研究论文）

研究人员试图合成一种更明亮、更稳定的纳米粒子以服务于光学应用。但他们近期发现，合成的纳米粒子有一种更令人惊讶的特性：在室温下能有规律的产生超荧光现象。 值得注意的是，该研究将更快的促进微芯片、神经传感器或用于量子计算应用的材料开发，以及生物学研究。

该研究由美国陆军研究办公室支持，美国马萨诸塞大学、北卡罗来纳州立大学等小组联合研究，研究成果“Room Temperature Upconverted Superfluorescence”目前已发表于《Nature Photonics》。

联合研究的最初目的，是通过合成镧系元素掺杂的上转换纳米粒子（UCNP），创造一种“更明亮”的光学材料。他们生产了从50纳米到500纳米大小的六角形陶瓷晶体，并分别测试它们的激光性能。

激光，原子受激导致电子跃迁释放辐射能量而产生具有同调性的增强光子束。超荧光（superfluorescence，SF）则是由自组织和协同耦合发射器组装产生的一种独特的量子光学现象，它能产生一阵短而急促的光，非常适合在纳米光子学和光学计算中应用。

北卡罗来纳州立大学物理学副教授、该研究的共同通讯作者Shuang Fang Lim说：“当用不同的激光强度激发材料时，我们发现，材料在每次被激发后会以固定的时间间隔发射出三个超荧光脉冲，每个脉冲长2纳秒并且不会出现衰减。这意味着，UCNP不仅在室温下表现出超荧光现象，并且在某种程度上是可以控制的。”

由于需要保证原子同时发射且不被周围环境影响“踢出排列”，所以在室温下很难产生超荧光。在该研究中，联合小组通过将UCNP中的光子“埋”在其他电子下方的电子轨道，这些电子充当屏蔽层，实现在室温下生产超荧光。

并且令人兴奋的是，他们的UCNP超荧光技术是反斯托克斯位移的，这意味着发光体发射的波长比用于激发的波长更短，能量更高。与典型上转换发光的微秒级慢寿命相比，上转换的超荧光具有10,000倍的加速寿命（τ= 46 ns的SF与τ= 455.8 μs的正常上转换发光）。

目前，UCNP已被广泛应用于无背景噪声生物传感、精密纳米医学和深层组织成像、细胞生物学、视觉生理学和光遗传学等生物应用中。但目前应用UCNP所面临的一个挑战是，光发射缓慢，并由此造成了检测的复杂度和结果次优。

由此可见，该联合小组开创的这种强且快速的反斯托克斯位移超荧光发射技术正在改变游戏规则。Lim表示：“我们的研究工作证明了UCNP在室温下易于操作，同时我们将超荧光介质缩小到50纳米波长——也是目前最小的超荧光介质。我们相信，未来通过控制脉冲，这些晶体将能用作计时器、神经传感器或微芯片晶体管的材料。”

参考链接：

https://www.nature.com/articles/s41566-022-01060-5

https://news.ncsu.edu/2022/08/naturally-insulating-material-emits-pulses-of-superfluorescent-light-at-room-temperature/

编译：A

编辑：慕一