导读 哥伦比亚工程公司的研究人员今天报告说，他们已经开发出第一种展示光子雪崩的纳米材料，这种过程在极端非线性光学行为和效率的结合方面是无

哥伦比亚工程公司的研究人员今天报告说，他们已经开发出第一种展示“光子雪崩”的纳米材料，这种过程在极端非线性光学行为和效率的结合方面是无与伦比的。以纳米粒子形式实现光子雪崩开辟了许多广受欢迎的应用，从实时超分辨率光学显微镜、精确的温度和环境传感、红外光检测，到光学模数转换和量子传感.

“以前没有人在纳米材料中看到过这样的雪崩行为，”机械工程副教授詹姆斯舒克说，他领导了今天发表在《自然》杂志上的这项研究。“我们在单纳米粒子水平上研究了这些新纳米粒子，这使我们能够证明纳米材料中可能发生雪崩行为。这种微妙的敏感性可能具有令人难以置信的变革性。例如，想象一下我们是否能够感知化学环境的变化，例如或者分子物种的实际存在。我们甚至可以检测到和其他疾病。”

雪崩过程——由一系列小扰动引发的一连串事件——存在于雪崩之外的广泛现象中，包括香槟气泡的破裂、核爆炸、激光、神经元网络，甚至金融危机。雪崩是非线性过程的一个极端例子，在这种过程中，输入或激励的变化会导致输出信号的不成比例(通常是不成比例的大)变化。高效生成非线性光信号通常需要大量材料，直到现在，光子雪崩也是如此。

在光学中，光子雪崩是在晶体内吸收单个光子导致许多光子发射的过程。研究人员在专用激光器中使用了光子雪崩，其中光子吸收引发光学事件的连锁反应，最终导致有效的激光发射。

研究人员要特别注意的是，仅仅吸收一个光子不仅会导致大量发射光子，而且还会产生一个令人惊讶的特性：发射的光子被“上转换”，每个光子的能量都比它高(颜色更蓝)。单个吸收的光子。科学家可以使用光谱红外区域的波长来产生大量高能光子，这些光子在组织深处的目标位置，无论雪崩纳米粒子所在的位置，都能更好地诱导所需的化学变化，例如杀死癌细胞。 .

光子雪崩 (PA) 行为在 40 多年前引起了极大的兴趣，当时研究人员认识到其极端非线性可能会广泛影响许多技术，从高效的上变频激光器到光子学、光学传感器和夜视设备。PA 的行为类似于电子产品中的晶体管，其中输入电压的微小变化会导致输出电流的巨大变化，从而为几乎所有电子设备的运行提供必要的放大。PA 使某些材料能够基本上起到光学晶体管的作用。

PA 几乎只在镧系元素 (Ln) 基材料中进行研究，因为它们具有独特的光学特性，可以将光能储存相对较长的时间。然而，在 Ln 系统中实现 PA 一直很困难——它需要许多 Ln 离子之间的协同相互作用，同时还要调节损失路径，因此仅限于散装材料和聚集体，通常在低温下。

尽管 PA 提供了无与伦比的优势，但这些限制已将 PA 的基础研究和使用降级为光子科学中的一个利基角色，并导致研究人员在过去十年中几乎完全专注于材料开发中的其他上转换机制。

在这项新研究中，Schuck 和他的国际合作团队，包括 Bruce Cohen 和 Emory Chan(分子铸造厂，劳伦斯伯克利国家实验室)、Artur Bednarkiewicz(波兰科学院)和 Yung Doug Suh(韩国研究所)化学技术和成均馆大学的研究人员)表明，通过实施一些关键的纳米粒子设计创新，例如选择镧系元素含量和种类，他们可以成功合成新型 20nm 纳米晶体，该晶体表现出光子雪崩及其极端非线性。

研究小组观察到，这些雪崩纳米粒子的非线性光学响应与入射光强度的 26 次方成正比——入射光的 10% 变化会导致发射光的变化超过 1000%。这种非线性远远超过先前在镧系元素纳米晶体中报道的响应。这种非凡的响应意味着雪崩纳米粒子 (ANP) 显示出作为传感器的巨大希望，因为局部环境的微小变化可能导致粒子发射的亮度提高 100-10,000 倍。研究人员还发现，仅使用简单的扫描共聚焦显微镜，ANP 中的这种巨大的非线性响应就可以实现深度亚波长光学成像(将 ANP 用作发光探针或造影剂)。

“ANP 使我们能够大幅超越光学显微镜的分辨率衍射极限，而且由于它们的非线性行为，它们基本上是免费的，”Schuck 解释说。

该研究的主要作者 Changhwan Lee 是一名博士。Schuck 小组的学生补充说：“单个 ANP 中的极端非线性将传统的共聚焦显微镜转变为最新的超分辨率成像系统。”

Schuck 和他的团队现在正在研究如何使用这种前所未有的非线性行为来感知环境中的变化，例如温度、压力、湿度的波动，其灵敏度尚未达到。

“我们对我们的发现感到非常兴奋，”Schuck 说。“我们希望它们能够在传感、成像和光检测方面带来各种革命性的新应用。它们在未来的光学信息处理芯片中也可能被证明是至关重要的，因为 ANP 提供了类似放大器的响应和单一的典型的小空间足迹。电子电路中的晶体管。”

该研究的标题是“来自光子雪崩纳米粒子的巨大非线性光学响应”。