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Las respuestas ópticas no lineales gigantes de las nanopartículas de avalancha de fotones

Changhwan Lee ¹, Emma Z Xu ¹, Yawei Liu ^2,3

¹Department of Mechanical Engineering, Columbia University, New York, NY, USA.
²The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA.
³State Key Laboratory of Rare Earth Resource Utilization, Changchun Institute of Applied Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Changchun, China.
⁴SUPA, School of Physics and Astronomy, University of St Andrews, St Andrews, UK.
⁵Centre of Biophotonics, University of St Andrews, St Andrews, UK.
⁶Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences, Wroclaw, Poland.
⁷Laboratory for Advanced Molecular Probing (LAMP), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), DaeJeon, South Korea.
⁸Laboratory for Advanced Molecular Probing (LAMP), Korea Research Institute of Chemical Technology (KRICT), DaeJeon, South Korea. ydsuh@krict.re.kr.
⁹School of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University (SKKU), Suwon, South Korea. ydsuh@krict.re.kr.
¹⁰Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences, Wroclaw, Poland. a.bednarkiewicz@intibs.pl.
¹¹The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA. becohen@lbl.gov.
¹²Division of Molecular Biophysics and Integrated Bioimaging, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA. becohen@lbl.gov.
¹³The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA. emchan@lbl.gov.
¹⁴Department of Mechanical Engineering, Columbia University, New York, NY, USA. p.j.schuck@columbia.edu.

⁰Department of Mechanical Engineering, Columbia University, New York, NY, USA.

Nature +

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14 de enero de 2021

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Resumen

Los investigadores lograron la avalancha de fotones en nanocristales individuales, lo que permitió obtener imágenes de súper resolución. Estas nanopartículas de avalancha (ANP) ofrecen una mayor resolución y una menor intensidad de excitación para aplicaciones ópticas avanzadas.

Área De La Ciencia

Óptica no lineal
Nanotecnología
La biofotónica

Sus Antecedentes

Los fenómenos de avalancha, impulsados por dinámicas no lineales, amplifican las pequeñas perturbaciones en respuestas grandes.
La avalancha de fotones es crucial para tecnologías como la imagen óptica y el láser upconverted.
Las observaciones anteriores se limitaban a los materiales a granel, lo que restringía las aplicaciones prácticas.

Objetivo Del Estudio

Para realizar la avalancha de fotones en nanoestructuras individuales a temperatura ambiente.
Para demostrar la aplicación de estas nanoestructuras en imágenes de súper resolución.
Para explorar su potencial en imágenes biológicas dentro de ventanas transparentes de infrarrojo cercano.

Principales Métodos

Fabricación de nanocristales de conversión ascendente dopados con tulio (Tm3+).
Caracterización de los fenómenos de avalancha de fotones, incluidos los umbrales de potencia de excitación y la absorción del estado excitado.
Implementación de imágenes de súper resolución de haz único de avalancha de fotones utilizando microscopía confocal de barrido.

Principales Resultados

Se ha logrado una avalancha de fotones a temperatura ambiente en nanocristales individuales (nanopartículas de avalancha, ANP).
Escala de emisión no lineal observada con la potencia número 26 de la intensidad de la bomba por encima del umbral.
Imágenes demostradas de resolución inferior a 70 nanómetros con ANP, que requieren intensidades de excitación más bajas.

Conclusiones

La avalancha de fotones de nanoestructura única es factible y ofrece ventajas significativas.
Las ANP permiten imágenes eficientes de súper resolución con alta resolución y bajos niveles de luz.
Sus propiedades sugieren una amplia utilidad en aplicaciones de imágenes y sensores de longitud de onda inferior.