2021年1月15日
哥伦比亚大学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显示“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热门的应用，从实时超分辨率光学显微镜、精确温度和环境传感、红外光探测，到光学模数转换和量子传感。
"之前没有人在纳米材料中见过这种雪崩行为。”欧洲杯足球竞彩机械工程副教授詹姆斯·舒克（James Schuck）说，他领导的这项研究今天由自然.
“我们在单个纳米颗粒水平上研究了这些新的纳米颗粒，从而欧洲杯猜球平台证明了纳米材料中可能会发生雪崩行为。这种微妙的敏感性可能会带来难以置信的变革。例如，想象一下，如果我们能感觉到化学环境的变化，比如分子物种的变化或实际存在。我们甚至可能检测到冠状病毒和其他疾病。”欧洲杯足球竞彩
雪崩过程——由一系列小扰动触发的一连串事件——在雪崩以外的一系列现象中都可以找到，包括香槟气泡的爆裂、核爆炸、激光、神经网络，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，输入或激励的变化会导致输出信号发生不成比例的——通常是不成比例的大——变化。为了有效地产生非线性光学信号，通常需要大量的材料，直到现在，光子雪崩也是如此。
在光学中，光子雪崩是一个过程，在晶体中吸收一个光子导致许多光子发射。研究人员在专用激光器中使用了光子雪崩，光子吸收引发光学事件的连锁反应，最终导致有效的激光。
研究人员需要特别注意的是，单光子的吸收不仅导致大量发射光子，而且还导致了一个令人惊讶的特性：发射光子是“上转换”的，每一个光子的能量（颜色更蓝）都比单光子高。
科学家们可以利用光谱的红外波段来产生大量高能光子，这些光子在组织深处的目标位置(无论雪崩的纳米粒子放置在哪里)更容易诱发所需的化学变化，比如杀死癌细胞。欧洲杯猜球平台
光子雪崩（PA）行为在40多年前引起了人们的极大兴趣，当时研究人员认识到其极端非线性可能广泛影响众多技术，从高效上转换激光器到光子学、光学传感器和夜视设备。
PA的行为类似于电子学中的晶体管，输入电压的微小变化导致输出电流的大变化，为几乎所有电子设备的操作提供必要的放大。PA使某些材料基本上具有光学晶体管的功欧洲杯足球竞彩能。
由于镧系(Ln)材料具有独特的光学特性，使得其能够存储相对较长时间的光能，因此PA几乎一直被专门研究。欧洲杯足球竞彩
然而，在Ln体系中实现PA是困难的——它需要许多Ln离子之间的协同作用，同时也减缓损失途径，因此仅限于块状材料和聚集物，通常是在低温下。欧洲杯足球竞彩
这些限制使PA的基础研究和使用在光子科学中处于一个小位置，并导致研究人员在过去十年几乎只专注于材料发展中的其他上转换机制，尽管PA提供了无与伦比的优势。欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球
在这项新的研究中，Schuck和他的国际合作团队，包括Bruce Cohen和Emory Chan（劳伦斯伯克利国家实验室分子铸造厂）、Artur Bednarkiewicz（波兰科学院）和Yung Doug Suh（韩国化学技术研究所和成均馆大学）的团队，表明通过实施一些关键的纳米颗粒设计创新，如选择镧系元素的含量和种类，他们可以成功地合成新的20nm纳米晶体，展示光子的雪崩效应及其极端非线性。欧洲杯线上买球
研究小组观察到，这些雪崩纳米颗粒的非线性光学响应与入射光强度的26次方成比例——入射光的10%变化会导致发射光的1000%以上变化。欧洲杯猜球平台
这种非线性远远超过了先前报道的稀土纳米晶体的响应。这种非凡的反应意味着雪崩纳米颗粒（ANPs）作为传感器显示出巨大的前景，因为局部环境的微小变化可以使粒子发出100-10000倍的亮度。欧洲杯猜球平台
研究人员还发现，ANPs中这种巨大的非线性响应仅使用简单的共聚焦扫描显微镜，就能实现深度亚波长光学成像(ANPs用作发光探针或造影剂)。
"ANP使我们能够在很大程度上超越光学显微镜的分辨率衍射极限，而且由于其陡峭的非线性行为，它们基本上是免费的。”舒克解释道。
该研究的主要作者、Schuck小组的博士生Changhwan Lee补充道，“单个ANP中的极端非线性将传统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利用这种前所未有的非线性行为来感知环境的变化，比如温度、压力、湿度的波动，而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，”舒克说。“我们预计它们将在传感、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，ANP提供了放大器般的响应和电子电路中单个晶体管典型的小空间占用。”
资料来源：https://www.columbia.edu/