量子光学突破：华人科学家实现室温、可控“超荧光”技术

Original 光子盒研究院光子盒 2023-03-04

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光子盒研究院出品

希望为光学应用合成一种更明亮、更稳定的纳米粒子的研究人员发现，他们的创造物反而表现出一种更令人惊讶的特性：在室温、定期间隔下都会爆发超荧光（Superfluorescence， SF）——一种独特的量子光学现象。

8月29日，研究成果以《室温下变频超氟》为题[1]，发表在《自然·光子学》期刊上。这项技术有望应用于生产更快的微芯片、神经传感器或用于量子计算应用的材料开发，以及一些生物研究。

值得一提的是，论文的其中两位通讯作者是华人科学家。

左：第一作者Shuang Fang Lim，曾在英国剑桥大学获得博士学位，目前是北卡罗来纳州立大学教授；研究集中在UCNP的合成表征、光物理学、生物共轭和应用上。右：第二作者Gang Han，马萨诸塞大学教授，本科、硕士均毕业于南京大学，其研究处于纳米技术、神经科学、生物成像和治疗的交叉点；2022年，被美国医学和生物工程研究所（AIMBE）选为研究员学院成员，AIMBE由美国排名前2%的医学和生物工程师组成。

超荧光（SF）是一种独特的量子光学现象，产生于自身和合作耦合的发射器组装。

当材料中的原子同步化并同时发射出短暂但强烈的光线时，就会出现超荧光。这种特性对于量子光学应用来说是很有价值的，但在室温下、以及在足够长的时间间隔内实现这种特性极其困难。

掺杂镧系元素的“上转换纳米粒子”（UCNP）这种材料由研究小组合成，目的是创造一种更明亮的光学材料——即从一个原子发出的光刺激另一个原子发出更多相同的光。他们生产了尺寸从50纳米（nm）到500纳米的六边形陶瓷晶体，并开始测试其发光特性，这导致了令人印象深刻的突破：他们反而发现了超荧光，即首先所有原子对齐，然后一起发光。

室温下实现超荧光的过程。

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：“当我们以不同的激光强度激发该材料时，我们发现它在每次激发时都会以固定的时间间隔发出三个脉冲的超荧光。而且这些脉冲不会退化，每个脉冲的长度为2纳秒。因此，UCNP不仅在室温下表现出超荧光，而且是以一种可以控制的方式表现出来。”

室温下的超荧光是很难实现的，因为原子很难在不被周围环境“踢”走的情况下一起发光。然而，在UCNP中，光来自于“埋藏”在其他电子下面的电子轨道，这些电子轨道就像一个盾牌，即使室温下也能发出超荧光。

此外，UCNP的超荧光在技术上是令人兴奋的，因为它是反斯托克位移（Anti-Stoke’s shift）的，这意味着发射的光的波长比启动反应的波长短、能量高。

马萨诸塞大学生物化学和分子生物技术教授、该研究的共同通讯作者Gang Han说：“这种强烈而快速的反斯托克位移超荧光发射非常适合众多的先进材料和纳米医学平台。例如，UCNPs已被广泛用于生物应用：从无背景噪音的生物传感、精确纳米医学和深层组织成像，到细胞生物学、视觉生理学和光遗传学。”

“然而，目前UCNP应用的一个挑战是其缓慢的发射，这往往使检测变得复杂和不理想。但是反斯托克位移超荧光的速度完全改变了游戏规则：比目前的方法快一万倍。我们相信，这种超荧光纳米粒子为清洁、快速和密集光源的生物成像和光疗法提供了革命性的解决方案。”

UCNP的独特性质可能导致其在众多领域中的使用。

Lim说：“首先，室温操作使应用更加容易。而且50纳米是目前存在的最小的超荧光介质。由于可以控制脉冲，我们可以将这些晶体用作计时器、神经传感器或微芯片上的晶体。同时，更大的晶体可以让我们对脉冲有更好的控制。”

参考链接：

[1]https://wraltechwire.com/2022/08/29/ncsu-research-could-mean-faster-microchips-quantum-computing-applications/

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

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