Sukurta pirmoji nanomedžiaga, kuri parodo „fotonų nuosmukį“. Didžiausias netiesinis optinio elgesio efektyvumas

Grandinės reakcijos proceso, kuriuo grindžiamas fotonų virpesių mechanizmas, aprašymas, kurį „Columbia Engineering“ tyrėjai suprato savo nanodalelėse. Šiame procese vieno mažos energijos fotono absorbcija sukelia grandininę energijos perdavimo reakciją, po kurios seka tolesni absorbcijos įvykiai, dėl kurių nanodalelėje susidaro labai sužadinti jonai, kurie paskui išleidžia savo energiją į daug didesnę energiją reikalaujančią emisiją. Fotonai: Mikolajus Lukaševičius / Lenkijos mokslų akademija

Mokslininkai kuria pirmąją nanomedžiagą, rodančią „fotonų sniegą“. Aptikimas gali sukelti naujų pritaikymų pojūčių, vaizdo, šviesos aptikimo srityse.

Tyrėjai iš „Columbia Engineering“ šiandien praneša, kad jie sukūrė pirmąją nanomedžiagą, rodančią „fotonų lašą“ – procesą, kurio neprilygsta kraštutinio netiesinio optinio elgesio ir efektyvumo derinys. Fotonų lavinos realizavimas nanodalelių pavidalu atveria daugybę ieškomų programų: realaus laiko optinės hipertenzijos mikroskopas, tiksli temperatūra-aplinka, infraraudonųjų spindulių šviesos aptikimas, analoginės-optinės konversijos, kvantinis jutiklis.

„Niekas nanomedžiagose niekada anksčiau nebuvo matęs tokio lavinos elgesio“, – sakė šiandien (2021 m. Sausio 13 d.) Paskelbtam tyrimui vadovavęs mechanikos inžinerijos docentas Amesas Shackas. Gamta:„Mes tyrėme šias naujas nanodaleles nanodalelių lygiu, leidžiantį įrodyti, kad lavinos elgesys gali pasireikšti nanomedžiagose. Šis subtilus jautrumas gali būti nepaprastai transformuojantis. Pavyzdžiui, įsivaizduokite, ar galime pajusti pokyčius savo cheminėje aplinkoje, pavyzdžiui, molekulių rūšių svyravimus ar faktinį buvimą. “Mes netgi galime nustatyti koronavirusą ir kitas ligas.”

Griūvančių procesai, kai įvykių kaskadą sukelia daugybė nedidelių trikdžių, aptinkami įvairiausiuose reiškiniuose, be sniego dundulių, įskaitant sprogusius šampano burbulus, branduolinius sprogimus, lazerius, nervų tinklą ir net finansines krizes. Lavina yra kraštutinis netiesinio proceso pavyzdys, kai įvesties ar sužadinimo pasikeitimas lemia neproporcingai – dažnai neproporcingai didelį išėjimo signalo pokytį. Kad nelinijiniai optiniai signalai būtų efektyvūs, fotonų sniego atveju paprastai reikia didelių medžiagų kiekių (iki šiol).

Optikoje fotonų sklaida yra procesas, kai vieno fotono kristalo absorbcija lemia daugelio emisiją. Mokslininkai naudojo fotonų mastelį specializuotuose lazeriuose, kur fotonų absorbcija sukelia grandininę optinių įvykių reakciją, kuri galiausiai sukelia efektyvų lazerį.

Mokslininkai ypatingą dėmesį skiria faktui, kad tik vieno fotono absorbcija lemia ne tik daug išskiriamų fotonų, bet ir nuostabią savybę. Spinduliuojami fotonai yra „transformuojami“, kurių kiekvienas turi didesnę energiją (mėlyna spalva). vienintelis absorbuotas fotonas. Mokslininkai gali sukurti bangų ilgius optinio spektro infraraudonųjų spindulių srityje, kad gautų didelius kiekius didesnės energijos fotonų, kurie žymiai geriau sukelia norimus cheminius pokyčius, pavyzdžiui, sunaikina vėžines ląsteles, tikslinėse audinio vietose, kur yra sniego nanodalelės. ,

Fotonų lavinos (PA) elgesys sukėlė didelį susidomėjimą daugiau nei prieš 40 metų, kai mokslininkai suprato, kad jo ypatingas netiesiškumas gali paveikti įvairiausias technologijas, pradedant efektyviais konversijos lazeriais, baigiant fotonika, optiniais jutikliais ir naktinio matymo prietaisais. PA elgsena yra panaši į elektroninio tranzistoriaus, kai dėl nedidelio įėjimo įtampos pokyčio labai pasikeičia išėjimo srovė, suteikiant stiprinimą, reikalingą beveik visiems elektroniniams prietaisams valdyti. PA leidžia tam tikroms medžiagoms iš esmės veikti kaip optiniams tranzistoriams.

PA buvo tiriamas beveik vien tik lantanido (Ln) pagrindu pagamintose medžiagose dėl jų unikalių optinių savybių, kurios leidžia palyginti ilgai išsaugoti optinę energiją. Tačiau buvo sunku pasiekti PA Ln sistemose. Tam reikalinga daugelio Ln jonų sąveika, tuo pačiu metu moderuojant nuostolių kelius, todėl apsiribojama birių medžiagų agregatais, dažnai esant žemai temperatūrai.

Šie apribojimai sumažino pagrindinius PA tyrimus ir fotonikos naudojimą tam, kad vaidintų svarbų vaidmenį, ir pastarąjį dešimtmetį mokslininkai paskatino sutelkti dėmesį beveik vien į kitus apdorojimo modifikavimo mechanizmus, nepaisant unikalių PA teikiamų privalumų.

Šiame naujame tyrime Shackas և savo tarptautinius komandos draugus, įskaitant Bruce’ą Coheną, Emory Chano grupes (The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Lab), Arthurą Bednarką ն i և (Lenkijos mokslų akademiją) և Jungą Dougą Suką (Korėjos tyrimų institutas) Cheminės technologijos և Sungkyunkuano universitetas) parodė, kad įgyvendindami kai kurias nanodalelių dizaino naujoves, pavyzdžiui, pasirinktas lantanido kiekio և rūšis, jie galėtų sėkmingai sintetinti 20 nm naujus nekristalus, rodančius fotonų skilimą և jo ypatingą netiesiškumą.

Komanda pažymėjo, kad netiesinė optinė reakcija apsunkino sniego nanodaleles kaip 26-oji krintančios šviesos intensyvumo galia. 10% atsitiktinis šviesos pokytis sukelia daugiau nei 1000% spinduliuojamos šviesos pokyčius. Šis netiesiškumas žymiai viršija reakcijas, kurios anksčiau buvo lantanido nanokristaluose. Šis neįprastas atsakymas reiškia, kad lavinos nanodalelės (ANP) žada kaip daviklius, nes nedidelis vietos aplinkos pokytis gali sukelti 100–10 000 kartų ryškesnes skleidžiamas daleles. Tyrėjai taip pat nustatė, kad šis milžiniškas netiesinis ANPP atsakas suteikia gilų povandeninį optinį vaizdą (per ANP kaip fluorescencinius zondus ar kontrastines medžiagas) naudojant tik paprastą skenuojantį konfokalinį mikroskopą.

“ANP leidžia labai skirtis optinio mikroskopo skiriamosios gebos difrakcijos ribai; jie tai daro daugiausia nemokamai dėl aštraus netiesinio elgesio”, – aiškina Shackas.

Pagrindinis tyrimo autorius Changhwanas Li, kuris yra Shaq grupės aspirantas, priduria: “Kraštutinio vienintelio ANP nelinijiškumas paverčia įprastą konfokalinį mikroskopą į moderniausią aukščiausiojo sprendimo vaizdavimo sistemą.”

Dabar Shackas his ir jo komanda dirba, kaip panaudoti šį precedento neturintį nelinijinį elgesį jautrinant aplinkos pokyčiams, tokiems kaip temperatūros, slėgio, drėgmės svyravimai, iki šiol nepasiekiamu jautrumu.

„Mes labai džiaugiamės savo atradimais“, – sako Shackas. „Tikimės, kad jos sukels visokių naujų revoliucinių programų jutimo, vaizdo ir šviesos aptikimo srityje. Jie gali būti svarbūs būsimose optinės informacijos apdorojimo mikroschemose, kai ANP pateikia į stiprintuvą panašų atsaką – mažą erdvinį pėdsaką, būdingą vienam tranzistoriui elektronikos grandinėje “.

Nuoroda. “Didžiuliai netiesiniai optiniai atsakai iš fotonus subalansuojančių nanodalelių.” , Emory M. Chan և P. James Schuck, 2021 m. Sausio 13 d., Gamta:,
DOI: 10.1038 / s41586-020-03092-9:

Autoriai yra: Changhwan Lee1, Emma Xu1, Yawei Liu2,3, Ayelet Teitelboim2, Kaiyuan Yao1, Angel Fernandez-Bravo2, Agata Kotulska4, Sang Hwan Nam5, Yung Doug Suh5,6, Artur Bednarkiewicz4, Bruce E. Cohen2,7, Emory M Chan2 և Jamesas Schuckas 1:
1 Mechanikos inžinerijos katedra, Kolumbija
2 Molekulinė liejykla, Lawrence Berkeley nacionalinė laboratorija
3 pagrindinės retųjų žemių išteklių naudojimo laboratorijos, Kinijos mokslų akademija, Čangčuno taikomosios chemijos institutas
4 Lenkijos mokslų akademijos žemos temperatūros ucture struktūros tyrimų institutas
5 Molekulinė pažangi laboratorija, Korėjos cheminės technologijos tyrimų institutas
6 Chemijos inžinerijos mokykla, Sungkyunkuano universitetas, Pietų Korėja.
Molekulinės biofizikos katedra 7 Integruota bioremediacija 7, Nacionalinė Lawrence Berkeley laboratorija

Tyrimą parėmė Pasaulinė tyrimų laboratorijos programa per Korėjos nacionalinį tyrimų fondą, finansuojamą Mokslo ir technologijos ministerijos (Nr. 2016911815). Palaiko programuojamos kvantinės medžiagos, esančios Energijos ribų tyrimų centre Kolumbijos universitetas Finansuoja JAV energetikos departamento (DOE) Mokslo biuras, Pagrindiniai energetikos mokslai (BES) pagal DE-SC0019443 apdovanojimą. Darbą molekulinėje liejykloje pagal sutartį DE-AC02-05CH11231 rėmė JAV Energetikos departamento Mokslo biuras, Pagrindinių energetikos mokslų biuras.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Tyrėjai kuria greitesnę tinklo analizę, kad pasiūlytų algoritmus, kurie padidintų paiešką internete

MIT tyrėjai sukūrė programinę įrangą, kad grafikos programinė įranga veiktų efektyviau įvairiuose skaičiavimo įrenginiuose, įskaitant procesorius ir GPU.Paskola „Istockphoto“ vaizdus redagavo „MIT News“ Diagramos,...

Naujų atradimų apie milijardus mikrobų pavertimą mūsų kūnu pavertimas įvairiomis ligomis

Įvairūs MIT tyrėjai naujus atradimus apie milijardus mikrobų paverčia žmogaus kūnu įvairiausių ligų gydymu. Įvairūs mokslininkai naujus atradimus apie milijardus mikrobų paverčia kūnu įvairiausių ligų...

MIT neurologai nustato hipokampo smegenų sąsają, koduojančią įvykių laiką

MIT neuromokslininkai nustatė, kad hipokampo CA2 regione esančios piramidinės ląstelės (žalios) yra atsakingos už kritinės informacijos saugojimą. Kreditas: „Tonegawa Lab“, redagavo „MIT News“ Išvados...

Vibruojančių molekulių naudojimas medžiagos bangų savybėms tirti

HD + molekuliniai jonai (geltonos ir raudonos taškų poros) jonų gaudyklėje (pilka) yra apšvitinti lazerio banga (raudona). Tai sukelia kvantinį šuolį pakeistų molekulių joninės...

Naujas dizainas pagerina naujos kartos perovskitų kraujo ląstelių efektyvumą

Autorius: Davidas L. Chandleris, Masačusetso technologijos institutas 2021 m. Vasario 27 d Šiame paveikslėlyje perovskito fotovoltai fone rodomi su atskirais perovskito kristalais, kurie rodomi kaip...

Newsletter

Subscribe to stay updated.