《自然》：研究人员首次开发出可展示“光子雪崩”的纳米材料

一项发表在《自然》上的研究表明，哥伦比亚工程公司的研究人员开发了第一种展示“光子雪崩”的纳米材料。

雪崩存在于积雪以外的广泛现象中，包括香槟气泡的破裂、核爆炸、激光、神经元网络，甚至金融危机。雪崩是非线性过程的一个极端例子，高效产生非线性光学信号通常需要大量的材料，光子雪崩也是如此。

在光学中，光子雪崩是一个过程，在这个过程中，单个光子在晶体中的吸收导致许多光子的发射。研究人员已经在专门的激光器中使用光子雪崩，其中光子吸收引发了光学事件的连锁反应，最终导致有效的激光发射。

40多年前，光子雪崩(PA)行为引起了人们的极大兴趣，当时研究人员认识到，它的极端非线性可以广泛影响许多技术，从高效的上变频激光器到光子学、光学传感器和夜视设备。

在这项新的研究中，研究人员通过实施一些关键的纳米粒子设计创新，如选择镧系元素含量和物种，成功地合成新的20纳米纳米纳米晶体，证明光子雪崩及其极端非线性。

研究小组观察到，入射光10%的变化会导致发射光1000%以上的变化。这种非线性远远超过了之前报道的镧系纳米晶体的响应。这种非同寻常的反应意味着雪崩纳米粒子(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导致粒子发射出100-10，000倍的光。

研究人员还发现，ANPs中的这种巨大的非线性响应使得仅使用简单的扫描共聚焦显微镜就可以进行深度亚波长光学成像(ANPs用作发光探针或造影剂)。

研究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，例如温度、压力、湿度的波动，其灵敏度目前还无法实现。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-03092-9