Naukowcy poinformowali o opracowaniu pierwszego nanomateriału, w którym można obserwować lawinową emisję fotonów w temperaturach pokojowych. To proces, w którym pojedynczy foton jest zdolny wywołać całą lawinę kolejnych. W badaniach, które znalazły się na okładce prestiżowego tygodnika "Nature", wzięli udział naukowcy z Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu.
Zjawisko lawinowej emisji fotonów (ang. photon avalanche) było obserwowane już wcześniej, jednak obserwacje te dotyczyły znacznie większych obiektów - materiałów monokrystalicznych - i to w bardzo niskich temperaturach. Co więcej, możliwość uzyskania lawinowej emisji fotonów w temperaturach pokojowych było przez wiele lat kwestionowane. A jednak międzynarodowej grupie badaczy, z polskimi naukowcami w składzie, udało się uzyskać lawinową emisję fotonów w nanomateriałach w temperaturach pokojowych. Badania ukazały się na łamach pisma „Nature”.
- Nikt wcześniej nie widział lawinowej emisji fotonów w nanomateriałach - powiedział James Schuck z Columbia Univeristy. - Badania nanocząstek pozwoliły nam udowodnić, że w nanomateriałach może wystąpić to zjawisko – dodał.
Mowa tutaj o procesie, gdzie kaskada zdarzeń jest wywoływana przez serię małych zakłóceń. Występuje w szerokim zakresie zjawisk daleko wykraczających poza zsuwanie się ze stoku górskiego mas lodu i śniegu, które nieodzownie kojarzą się z lawinami. Proces ten można zaobserwować w eksplozjach jądrowych, laserach, sieciach neuronowych, a nawet w kryzysach finansowych. Jest skrajnym przykładem procesu nieliniowego, w którym wartość wyjściowa jest nieproporcjonalnie duża względem wartości wejściowej. Jak czytamy w komunikacie na stronie internetowej Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN we Wrocławiu (INTiBS PAN), „w procesie tym intensywność emisji wzrasta nieproporcjonalnie mocno (tj. lawinowo) w stosunku do intensywności pobudzenia - przypomina to zachowanie tranzystora albo zasadę działania lasera, ale odbywa się wykorzystując fotony z zakresu bliskiej podczerwieni”.
W optyce proces ten polega na absorpcji w krysztale pojedynczego fotonu, który powoduje emisję wielu kolejnych. Proces ten został wykorzystany chociażby do produkcji wyspecjalizowanych laserów, w których absorpcja fotonów uruchamia reakcję łańcuchową zdarzeń optycznych, która ostatecznie prowadzi do wydajnego lasera.
Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że absorpcja pojedynczego fotonu prowadzi nie tylko do powstania dużej liczby kolejnych fotonów, ale także do zaskakującej właściwości: każdy z emitowanych fotonów ma wyższą energię niż pojedynczy zaabsorbowany foton. W tym kontekście lawinowa emisja fotonów jest jednym z najbardziej wydajnych, a przy tym najsłabiej poznanym mechanizmem konwersji energii w górę.
Lawinowa emisja fotonów wzbudziła duże zainteresowanie ponad 40 lat temu, kiedy naukowcy odkryli, że może mieć szeroki wpływ na wiele technologii, od wydajnych laserów z konwersją w górę po fotonikę, czujniki optyczne i urządzenia noktowizyjne. Zachowanie to jest podobne do tranzystora w elektronice, gdzie niewielka zmiana napięcia wejściowego powoduje dużą zmianę prądu wyjściowego, zapewniając wzmocnienie niezbędne do działania prawie wszystkich urządzeń elektronicznych. Lawinowa emisja fotonów umożliwia niektórym materiałom działanie zasadniczo jako tranzystory optyczne.
W nowych badaniach naukowcy zaobserwowali to zjawisko w temperaturze pokojowej w nanomateriałach - strukturach o średnicy 25-30 nm. Autorzy prac, badacze z INTiBS PAN (prof. dr hab. A. Bednarkiewicz i mgr inż. A. Kotulska), we współpracy z naukowcami z USA (Berkley Lawrence Lab. i Columbia Univeristy) i Korei (Korea Research Institute of Chemical Technology) opisali, w jaki sposób opracowali nowe nanomateriały koloidalne zdolne do lawinowej emisji fotonów.
"Tradycyjnie w materiałach luminescencyjnych domieszkowanych jonami lantanowców obserwuje się tzw. wygaszanie koncentracyjne, które powyżej 1 proc. domieszki prowadzi do osłabienia intensywności świecenia. Autorzy pracy wykorzystali mechanizm lawinowej emisji wprowadzając aż 8 proc. jonów tulu i uzyskując spektakularny wzrost intensywności świecenia powyżej progu – dwukrotne zwiększenie intensywności pobudzenia prowadziło wówczas do niemal 10 000 krotnego wzrostu intensywności emisji” - czytamy w komunikacie INTiBS PAN.
Amerykański zespół wytworzył taki materiał i potwierdził w eksperymencie, że rzeczywiście ma bardzo ciekawe silnie nieliniowe właściwości. Dodatkowo, wyniki eksperymentalne doskonale zgadzały się z symulacjami, obliczeniami i przewidywaniami wykonanymi w grupie prof. Bednarkiewicza dwa lata wcześniej.
- Aktualnie, kontynuujemy współpracę, ale realizujemy też w INTiBS PAN własny projekt finansowany przez Narodowe Centrum Nauki dotyczący tych materiałów i metod. Potrafimy syntezować materiały lawinowe samodzielnie, zbudowaliśmy również unikalny i bardzo czuły układ pomiarowy, który pozwala uzyskiwane materiały badać w poszukiwaniu kolejnych nowych i ulepszonych materiałów. Myślimy też o ich zastosowaniach praktycznych - mówi prof. Bednarkiewicz w rozmowie z Ludwiką Tomalą z serwisu Nauka w Polsce Polskiej Agencji Prasowej.
- Są dwie przełomowe informacje, które wynikają z naszych badań. Po pierwsze, udało się uzyskać lawinową emisję fotonów w nanomateriałach, a to otwiera zupełnie nowe możliwości ich zastosowania. Po drugie udało się za pomocą tych materiałów zademonstrować obrazowanie optyczne w skali nanometrycznej poniżej fundamentalnego limitu dyfrakcji światła, który dla biologów był poważnym ograniczeniem, ale dla fizyków i chemików był przez wiele lat olbrzymim wyzwaniem. Uzyskane wyniki otwierają szereg nowych kierunków badań i zastosowań, ale dopiero najbliższe lata zdecydują czy lawinowe nanokryształy znajdą jeszcze szersze zainteresowanie - dodaje prof. Bednarkiewicz.
Te opracowane przez badaczy maleńkie latarenki są nanokoloidami – ich powierzchnię można tak zmodyfikować, by w sposób trwały były zawieszone w wodzie i nie opadały na dno. A to pierwszy krok do tego, by te struktury otoczyć na przykład białkami i wprowadzić do komórek, gdzie za ich pomocą można będzie obserwować miejsca lub śledzić procesy odpowiadające za funkcjonowanie żywych komórek.
Aby zapalić taką nanolatarenkę, należy ją oświetlić światłem podczerwonym (o długości fali 1060 nm). A to kolejny plus rozwiązania. Takie światło jest bowiem szczególnie przyjazne w badaniu żywych komórek - łatwo przechodzi przez tkanki, eliminuje spontaniczne świecenie komórek (to problem przy wzbudzaniu za pomocą światła UV), a w dodatku nie uszkadza struktur biologicznych w komórce.
Kolejną zaletą jest również to, że obrazy o ogromnej rozdzielczości można wykonać z pomocą nieco zmodyfikowanego mikroskopu konfokalnego, który jest dostępny prawie w każdym laboratorium biologicznym. Badania pokazały, że takie nanolatarenki można wykorzystać do obrazowania struktur z rozdzielczością 70 nm (jak dotąd, taka rozdzielczość optyczna możliwa jest do uzyskania tylko w znacznie droższych i dużo bardziej złożonych mikroskopach superrozdzielczych).
Źródło: Columbia University School of Engineering and Applied Science, www.naukawpolsce.pap.pl, INTiBS PAN, fot. Mikołaj Łukaszewicz/ Polish Academy of Sciences
