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本文摘要:雪崩是非线性历程的一个极端例子在这个历程中输入或激励的变化会导致输出信号不成比例的变化通常是不相称的大。但为有效地发生非线性光信号人们通常需要大量的质料到现在为止光子雪崩也是如此。 无论如何“我们期待它们在传感、成像和光探测方面带来种种革命性的新应用。 它们在未来的光信息处置惩罚芯片中也可能被证明是至关重要的雪崩纳米颗粒可以提供类似放大器的响应和电子电路中典型单晶体管的小空间占用。”Schuck说。 “在一些质料中单个光子的吸收可以触发连锁反映从而发生大量的光。

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雪崩是非线性历程的一个极端例子在这个历程中输入或激励的变化会导致输出信号不成比例的变化通常是不相称的大。但为有效地发生非线性光信号人们通常需要大量的质料到现在为止光子雪崩也是如此。

无论如何“我们期待它们在传感、成像和光探测方面带来种种革命性的新应用。

它们在未来的光信息处置惩罚芯片中也可能被证明是至关重要的雪崩纳米颗粒可以提供类似放大器的响应和电子电路中典型单晶体管的小空间占用。”Schuck说。

“在一些质料中单个光子的吸收可以触发连锁反映从而发生大量的光。

这些光子雪崩的发现为成像和传感应用开发了门路。但这种现象以前只能在毫米到厘米尺度的晶体中视察到。”Meijerink告诉《中国科学报》。

“之前没有人在纳米质料中看到过这样的‘雪崩’行为。”该研究卖力人、美国哥伦比亚大学机械工程副教授James Schuck说“我们在单纳米粒子水平上研究了这些新的纳米质料粒子从而证明雪崩行为可以发生在纳米质料中。”

荷兰乌德勒支大学的Andries Meijerink和Freddy T. Rabouw在相关评论文章中提到“这一发现将引领对其他能发生光子雪崩的纳米晶体的研究。

这些新型纳米粒子的前景是灼烁的。”他们未到场该研究。

40多年前光子雪崩行为就引起了人们的极大兴趣因为研究人员认识到它的极端非线性可以广泛地影响许多技术从高效的上转换激光器到光电子、光学传感器和夜视设备。

该研究的主要作者Changhwan Lee是Schuck小组的一名博士生他表现单个雪崩纳米颗粒中的极端非线性能将传统共焦显微镜转换成最新的超分辨率成像系统。

突破极限

光子雪崩机制连锁反映历程图解 图片泉源:波兰科学院

Schuck团队正在研究如何更好地感知情况的变化如温度、压力、湿度的颠簸这些现在还无法实现。

《中国科学报》从哥伦比亚大学获悉Schuck和互助者包罗劳伦斯伯克利国家实验室的Bruce Cohen和Emory Chan、波兰科学院Artur Bednarkiewicz和韩国成均馆大学Yung Doug Suh等人通过实施一些关键的纳米颗粒设计创新如选择Ln元素的含量和种类乐成合成了新型的20纳米的晶体并能展示光子雪崩及其极端非线性。

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寂静的雪山随着一声“咔嚓”的轻响雪层断裂“白色妖魔”咆哮而下庞大的气力能将将所过之处扫荡殆尽自然界的雪崩危害庞大能摧毁森林、威胁人类。

实际上雪崩并非雪花专有光子也能发生雪崩同样的能量喷涌带来的却是革命性的应用。

更小又更大

一直以来由于镧(Ln)基质料具有奇特的光学特性使得光子雪崩能够在相对较长的时间内存储光能因此光子雪崩险些只在Ln基质料中举行研究。然而在这种质料中实现光子雪崩很是难题——它需要许多Ln离子之间的协同作用同时还需要调治损失途径因此仅限于大块质料和聚集物而且通常是要在低温下。

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看它们都雪崩

在光学器件中光子雪崩是晶体中单个光子的吸收导致多个光子发射的历程。

光子雪崩被用于专门的激光器中光子吸收引发一系列光学事件的连锁反映最终导致高效的激光发射。

Meijerink 指出该研究证明这种质料可以用于超分辨率成像——纳米粒子能以约莫70纳米的分辨率成像远远低于成像系统的衍射极限。而且成像装置简朴只需要一个单一的激光波长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辐射上升时间较长使得记载历程变慢这意味着该技术尚不适合监测生物系统等动态历程。

这样科学家就可以使用红外波长发生大量高能量光子这些光子在组织内部的特定位置也就是雪崩纳米颗粒所处的位置能更好地诱导所需的化学变化——好比杀死癌细胞。

研究人员指出这些数字意味着雪崩纳米粒子作为传感器有很大的前景因为局部情况的一个小变化就可以导致粒子发出100~10000倍的亮度。研究人员还发现雪崩纳米粒子中庞大的非线性响应可以通过简朴的扫描共焦显微镜实现深度亚波长光学成像(雪崩纳米粒子被用作发光探针或造影剂)。

而在新研究中研究人员陈诉说他们已经开发出了第一种能展示光子雪崩的纳米质料纳米粒子形式的光子雪崩的实现开启了一系列新的应用从实时超分辨率光学显微镜、准确的温度和情况传感、红外光探测到光学模拟数字转换和量子传感。


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