Pesquisadores da Columbia Engineering relatam hoje que desenvolveram o primeiro nanomaterial que demonstra “avalanche de fótons”, um processo incomparável em sua combinação de comportamento ótico não linear extremo e eficiência. A realização da avalanche de fótons na forma de nanopartículas abre uma série de aplicações procuradas, de microscopia óptica de super-resolução em tempo real, temperatura precisa e detecção ambiental e detecção de luz infravermelha, para conversão analógica-digital óptica e detecção quântica.
“Ninguém viu um comportamento de avalanche como esse em nanomateriais antes”, disse James Schuck, professor associado de engenharia mecânica, que liderou o estudo publicado hoje pela Nature. “Estudamos essas novas nanopartículas no nível de uma única nanopartícula, o que nos permitiu provar que o comportamento de avalanchamento pode ocorrer em nanomateriais. Essa sensibilidade requintada pode ser incrivelmente transformadora. Por exemplo, imagine se pudéssemos sentir mudanças em nosso ambiente químico, como variações em ou a presença real de espécies moleculares. Podemos até ser capazes de detectar coronavírus e outras doenças. ”
Os processos de avalanching – onde uma cascata de eventos é desencadeada por uma série de pequenas perturbações – são encontrados em uma ampla gama de fenômenos além dos deslizamentos de neve, incluindo o estouro de bolhas de champanhe, explosões nucleares, lasing, redes neuronais e até crises financeiras. Avalanching é um exemplo extremo de um processo não linear, no qual uma mudança na entrada ou excitação leva a uma mudança desproporcional – muitas vezes desproporcionalmente grande – no sinal de saída. Grandes volumes de material são normalmente necessários para a geração eficiente de sinais ópticos não lineares, e esse também tinha sido o caso da avalanche de fótons, até agora.
Em óptica, avalanching de fótons é o processo em que a absorção dentro de um cristal de um único fóton resulta na emissão de muitos. Os pesquisadores usaram avalanching de fótons em lasers especializados, onde a absorção de fótons desencadeia uma reação em cadeia de eventos ópticos que, em última análise, levam a um laser eficiente.
De particular interesse para os pesquisadores é que a absorção de apenas um único fóton leva não apenas a um grande número de fótons emitidos, mas também a uma propriedade surpreendente: os fótons emitidos são “convertidos para cima”, cada um com maior energia (de cor mais azul) do que o único fóton absorvido. Os cientistas podem usar comprimentos de onda na região infravermelha do espectro óptico para criar grandes quantidades de fótons de alta energia que são muito melhores em induzir as mudanças químicas desejadas – como matar células cancerosas – em locais específicos no fundo do tecido, onde quer que as nanopartículas em avalanche estejam posicionadas .
O comportamento de avalanchamento de fótons (PA) atraiu um interesse significativo há mais de 40 anos, quando os pesquisadores reconheceram que sua extrema não linearidade poderia impactar amplamente várias tecnologias, desde lasers de conversão ascendente até fotônicos, sensores ópticos e dispositivos de visão noturna. O comportamento do PA é semelhante ao de um transistor na eletrônica, onde uma pequena mudança em uma tensão de entrada resulta em uma grande mudança na corrente de saída, fornecendo a amplificação necessária para a operação de quase todos os dispositivos eletrônicos. PA permite que certos materiais funcionem essencialmente como transistores ópticos.
O PA foi estudado quase exclusivamente em materiais à base de lantanídeos (Ln) devido às suas propriedades ópticas únicas que permitem armazenar energia óptica por períodos relativamente longos de tempo. No entanto, alcançar PA em sistemas Ln tem sido difícil – requer interações cooperativas entre muitos íons Ln enquanto também moderando as vias de perda e, portanto, tem sido limitado a materiais a granel e agregados, muitas vezes em baixas temperaturas.
Essas limitações relegaram o estudo fundamental e o uso de PA a um papel de nicho na ciência fotônica e levaram os pesquisadores a se concentrar quase exclusivamente na última década em outros mecanismos de conversão ascendente no desenvolvimento de materiais, apesar das vantagens incomparáveis oferecidas por PA.
Neste novo estudo, Schuck e sua equipe internacional de colaboradores, incluindo os grupos de Bruce Cohen e Emory Chan (The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Lab), Artur Bednarkiewicz (Polish Academy of Sciences) e Yung Doug Suh (Korea Research Institute da Chemical Technology e da Sungkyunkwan University), mostraram que, ao implementar algumas inovações importantes no design de nanopartículas, como selecionar conteúdos e espécies de lantanídeos, eles poderiam sintetizar com sucesso novos nanocristais de 20 nm que demonstram avalanche de fótons e sua extrema não linearidade.
A equipe observou que a resposta ótica não linear nessas nanopartículas em avalanchamento é a 26ª potência da intensidade da luz incidente – uma mudança de 10% na luz incidente causa mais de 1000% de mudança na luz emitida. Essa não linearidade excede em muito as respostas relatadas anteriormente em nanocristais de lantanídeos. Esta resposta extraordinária significa que as nanopartículas em avalanchamento (ANPs) mostram uma grande promessa como sensores, uma vez que uma pequena mudança no ambiente local pode fazer com que as partículas emitam de 100 a 10.000 vezes mais brilho. Os pesquisadores também descobriram que esta resposta não linear gigante em ANPs permite imagens ópticas profundamente abaixo do comprimento de onda (com os ANPs usados como sondas luminescentes, ou agentes de contraste), usando apenas microscopia confocal de varredura simples.
“Os ANPs nos permitem superar o limite de difração de resolução para microscopia óptica por uma margem significativa, e eles fazem isso essencialmente de graça, devido ao seu comportamento não linear acentuado”, explica Schuck.
O principal autor do estudo, Changhwan Lee, que é Ph.D. aluno do grupo de Schuck, acrescenta: “A extrema não linearidade em um único ANP transforma um microscópio confocal convencional no mais novo sistema de imagem de superresolução.”
Schuck e sua equipe estão agora trabalhando em como usar esse comportamento não linear sem precedentes para detectar mudanças no ambiente, como flutuações de temperatura, pressão, umidade, com uma sensibilidade que ainda não foi alcançada.
“Estamos muito entusiasmados com nossas descobertas”, disse Schuck. “Esperamos que eles levem a todos os tipos de novas aplicações revolucionárias em sensoriamento, imagem e detecção de luz. Eles também podem ser críticos em futuros chips de processamento óptico de informações, com ANPs fornecendo a resposta semelhante à de um amplificador e pequena pegada espacial típica de um único transistor em um circuito eletrônico. ”
O estudo é intitulado “Respostas ópticas não lineares gigantes de nanopartículas com avalanche de fótons.”
Publicado em 18/01/2021 12h53
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