光子如雪也能崩塌

寂靜的雪山，隨著一聲“咔嚓”的輕響，雪層斷裂，“白色妖魔”呼嘯而下，巨大的力量能將將所過之處掃蕩殆盡，自然界的雪崩危害巨大，能摧毀森林、威脅人類。實際上，雪崩并非雪花專有，光子也能發(fā)生雪崩，同樣的能量噴涌，帶來的卻是革命性的應(yīng)用。

近日，研究人員開發(fā)出了第一個證明“光子雪崩”的納米材料，這可能會在傳感、成像和光探測等方面帶來新的應(yīng)用。相關(guān)論文1月14日刊登于《自然》。

“之前沒有人在納米材料中看到過這樣的‘雪崩行為。”該研究負責(zé)人、美國哥倫比亞大學(xué)機械工程副教授James?Schuck說，“我們在單納米粒子水平上研究了這些新的納米材料粒子，從而證明雪崩行為可以發(fā)生在納米材料中?！?/p>

他還提到，這種極致敏感可能會帶來難以置信的變革。例如，想象一下，如果能感知化學(xué)環(huán)境的變化，比如分子物種的變化或?qū)嶋H存在情況，我們甚至能檢測出冠狀病毒和其他疾病。

荷蘭烏德勒支大學(xué)的Andries?Meijerink和Freddy?T.?Rabouw在相關(guān)評論文章中提到，“這一發(fā)現(xiàn)將引領(lǐng)對其他能產(chǎn)生光子雪崩的納米晶體的研究。這些新型納米粒子的前景是光明的?！彼麄兾磪⑴c該研究。

1、看，它們都雪崩

雪崩過程是由一系列小擾動觸發(fā)的一連串事件，它可以在除真實積雪崩塌之外的許多現(xiàn)象中被發(fā)現(xiàn)，包括香檳泡沫的破裂、核爆炸、激光、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，甚至金融危機。

雪崩是非線性過程的一個極端例子，在這個過程中，輸入或激勵的變化會導(dǎo)致輸出信號不成比例的變化，通常是不相稱的大。但為有效地產(chǎn)生非線性光信號，人們通常需要大量的材料，到目前為止光子雪崩也是如此。

在光學(xué)器件中，光子雪崩是晶體中單個光子的吸收導(dǎo)致多個光子發(fā)射的過程。光子雪崩被用于專門的激光器中，光子吸收引發(fā)一系列光學(xué)事件的連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致高效的激光發(fā)射。

“雪崩的時候，沒有一片雪花是無辜的?！蓖瑯樱┍赖臅r候，每個光子都是重要的。研究人員發(fā)現(xiàn)，僅僅單個光子吸收就會導(dǎo)致大量的發(fā)射光子，而且還會產(chǎn)生一個令人驚訝的特性：發(fā)射的光子是“上轉(zhuǎn)換”的，每個都比吸收的光子能量更高。

這樣，科學(xué)家就可以利用紅外波長產(chǎn)生大量高能量光子，這些光子在組織內(nèi)部的特定位置，也就是雪崩納米顆粒所處的位置，能更好地誘導(dǎo)所需的化學(xué)變化——比如殺死癌細胞。

40多年前，光子雪崩行為就引起了人們的極大興趣，因為研究人員認識到它的極端非線性可以廣泛地影響許多技術(shù)，從高效的上轉(zhuǎn)換激光器到光電子、光學(xué)傳感器和夜視設(shè)備。

2、更小又更大

一直以來，由于鑭（Ln）基材料具有獨特的光學(xué)特性，使得光子雪崩能夠在相對較長的時間內(nèi)存儲光能，因此光子雪崩幾乎只在Ln基材料中進行研究。然而，在這種材料中實現(xiàn)光子雪崩非常困難——它需要許多Ln離子之間的協(xié)同作用，同時還需要調(diào)節(jié)損失途徑，因此僅限于大塊材料和聚集物，而且通常是要在低溫下。

“在一些材料中，單個光子的吸收可以觸發(fā)連鎖反應(yīng)，從而產(chǎn)生大量的光。這些光子雪崩的發(fā)現(xiàn)為成像和傳感應(yīng)用開辟了道路。但這種現(xiàn)象以前只能在毫米到厘米尺度的晶體中觀察到?！盡eijerink告訴筆者。

這些限制已經(jīng)影響了光子雪崩的相關(guān)研究和應(yīng)用，并導(dǎo)致研究人員幾乎只專注于其他具有上轉(zhuǎn)換機制材料的開發(fā)，即便光子雪崩擁有無可比擬的優(yōu)勢，這一過程在極端非線性光學(xué)行為和效率的結(jié)合方面是無與倫比的。

而在新研究中研究人員報告說，他們已經(jīng)開發(fā)出了第一種能展示光子雪崩的納米材料，納米粒子形式的光子雪崩的實現(xiàn)開啟了一系列新的應(yīng)用，從實時超分辨率光學(xué)顯微鏡、精確的溫度和環(huán)境傳感、紅外光探測，到光學(xué)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換和量子傳感。

筆者從哥倫比亞大學(xué)獲悉，Schuck和合作者，包括勞倫斯伯克利國家實驗室的Bruce?Cohen和Emory?Chan、波蘭科學(xué)院Artur?Bednarkiewicz和韓國成均館大學(xué)Yung?Doug?Suh等人，通過實施一些關(guān)鍵的納米顆粒設(shè)計創(chuàng)新，如選擇Ln元素的含量和種類，成功合成了新型的20納米的晶體，并能展示光子雪崩及其極端非線性。

研究小組觀察到這些雪崩納米顆粒的非線性光學(xué)響應(yīng)為入射光強度的26倍，即入射光的10%變化能導(dǎo)致發(fā)射光1000%的變化。這種非線性遠遠超過了以前報道的Ln系納米晶體的響應(yīng)。

3、突破極限

研究人員指出，這些數(shù)字意味著雪崩納米粒子作為傳感器有很大的前景，因為局部環(huán)境的一個小變化就可以導(dǎo)致粒子發(fā)出100～10000倍的亮度。研究人員還發(fā)現(xiàn)，雪崩納米粒子中巨大的非線性響應(yīng)可以通過簡單的掃描共焦顯微鏡實現(xiàn)深度亞波長光學(xué)成像（雪崩納米粒子被用作發(fā)光探針或造影劑）。

Schuck告訴筆者：“雪崩納米顆粒讓我們大大超越了光學(xué)顯微鏡的衍射分辨率極限，而且基本上是無償?shù)?，因為它們的非線性行為非常明顯。”

該研究的主要作者Changhwan?Lee是Schuck小組的一名博士生，他表示，單個雪崩納米顆粒中的極端非線性能將傳統(tǒng)共焦顯微鏡轉(zhuǎn)換成最新的超分辨率成像系統(tǒng)。

Meijerink指出，該研究證明這種材料可以用于超分辨率成像——納米粒子能以大約70納米的分辨率成像，遠遠低于成像系統(tǒng)的衍射極限。而且，成像裝置簡單，只需要一個單一的激光波長，且不到激光器功率的十分之一。但也存在一些不足，由于雪崩輻射上升時間較長，使得記錄過程變慢，這意味著該技術(shù)尚不適合監(jiān)測生物系統(tǒng)等動態(tài)過程。

Schuck團隊正在研究如何更好地感知環(huán)境的變化，如溫度、壓力、濕度的波動，這些目前還無法實現(xiàn)。

無論如何，“我們期待它們在傳感、成像和光探測方面帶來各種革命性的新應(yīng)用。它們在未來的光信息處理芯片中也可能被證明是至關(guān)重要的，雪崩納米顆?？梢蕴峁╊愃品糯笃鞯捻憫?yīng)和電子電路中典型單晶體管的小空間占用?！盨chuck說。