哥伦比亚工程学院的研究人员今天报告说，他们已经开发出了第一种展示“光子雪崩”的纳米材料，这一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。纳米粒子形式的光子雪崩的实现开启了一系列广受欢迎的应用，从实时超分辨率光学显微镜、精确的温度和环境传感、红外光探测，到光学模拟数字转换和量子传感。
“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(James Schuck)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的纳米粒子，这让我们能够证明雪崩行为可以发生在纳米材料中。这种细腻的敏感可能会带来难以置信的变革。例如，想象一下，如果我们能够感知化学环境的变化，比如分子物种的变化或实际存在。我们甚至可能检测出冠状病毒和其他疾病。”
雪崩过程——由一系列小扰动触发的一连串事件——可以在除雪滑之外的许多现象中发现，包括香槟泡沫的破裂、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，在这个过程中，杏耀代理开户输入或激励的变化会导致不相称的——通常是不相称的大——输出信号的变化。有效地产生非线性光信号通常需要大量的材料，到目前为止光子雪崩也是如此。
在光学中，光子雪崩是晶体中单个光子的吸收导致多个光子的发射的过程。研究人员在专门激光器中使用了光子雪崩，光子吸收引发一系列光学事件的连锁反应，最终导致有效的激光。
值得研究人员特别注意的是，仅仅吸收一个光子不仅会导致大量的发射光子，而且还会产生一个令人惊讶的特性:发射的光子是“上转换”的，每一个都比单个吸收的光子能量更高(颜色更蓝)。科学家们可以利用光谱中红外波段的波长来产生大量高能量光子，这些光子更能在组织深处的特定位置诱导所需的化学变化，比如杀死癌细胞，也就是雪崩纳米颗粒所在的位置。
40多年前，光子雪崩(PA)行为引起了人们的极大兴趣，因为研究人员认识到它的极端非线性可以广泛地影响许多技术，从高效的上转换激光器到光电子、光学传感器和夜视设备。PA的特性类似于电子学中的晶体管，在晶体管中，输入电压的微小变化就会导致输出电流的大变化，
杏耀 ，从而提供几乎所有电子设备运行所必需的放大。PA使某些材料基本上起光晶体管的作用。
由于镧系(Ln)基材料具有独特的光学特性，使得PA能够在相对较长时间内存储光能，因此PA几乎只在镧系(Ln)基材料中进行研究。然而，在Ln系统中实现PA非常困难——它需要许多Ln离子之间的协同作用，同时还需要调节损失途径，因此仅限于大块材料和聚集物，通常是在低温下。
这些限制已经使基本的研究和使用PA在光子科学中的一个小的角色，并导致研究人员几乎只专注于其他上转换机制的材料开发，尽管PA提供了无可比拟的优势。
在这个新的研究中,舒克和他的国际团队合作者,包括布鲁斯·科恩和埃默里陈的团体(分子铸造,劳伦斯伯克利国家实验室),阿图尔Bednarkiewicz(波兰科学院),和容Doug Suh(韩国研究所化学技术和韩国成均馆大学),表明,通过实施一些关键纳米颗粒等设计创新选择镧系元素内容和物种,他们成功地合成了新型的20nm纳米晶体，展示了光子雪崩及其极端非线性。
研究小组观察到这些雪崩纳米颗粒的非线性光学响应为入射光强度的26倍，即入射光的10%变化导致发射光的1000%变化。这种非线性远远超过了以前报道的镧系纳米晶体的响应。这种非凡的反应意味着雪崩纳米粒子(ANPs)作为传感器有很大的前景，因为局部环境的一个小变化就可以导致粒子发出100- 10000倍的亮度。研究人员还发现，ANPs中巨大的非线性响应可以通过简单的扫描共聚焦显微镜实现深度亚波长光学成像(ANPs用作发光探针或造影剂)。
Schuck解释说:“ANPs让我们大大超过了光学显微镜的衍射分辨率极限，而且基本上是免费的，因为它们的非线性行为非常明显。”
该研究的主要作者Changhwan Lee是Schuck小组的一名博士生，杏耀注册他补充说:“单个ANP中的极端非线性将传统共聚焦显微镜转换成最新的超分辨率成像系统。”
舒克和他的团队现在正在研究如何利用这种前所未有的非线性行为来感知环境的变化，如温度、压力、湿度的波动，这种灵敏度目前还无法实现。
“我们对我们的发现感到非常兴奋，”Schuck说。“我们期待它们在传感、成像和光探测方面带来各种革命性的新应用。它们在未来的光信息处理芯片中也可能被证明是至关重要的，ANPs可以提供类似放大器的响应和电子电路中典型的单晶体管的小空间占用。”
