Иллюстрация: Kai Huang et al. / Nature Photonics, 2022. Американские физики смогли вызвать антистоксову сверхфлуоресценцию одной и нескольких наночастиц, легированных лантанидами, при комнатной температуре. Скорость коллективного излучения ионов оказалась на четыре порядка больше, чем обычная люминесценция. Проведенное исследование открывает широкую дорогу к использованию одиночных наночастиц в создании оптических процессоров. Исследование опубликовано в Nature Photonics. О том, что атомы могут излучать коллективно, впервые задумался Роберт Дикке. В 1954 году он предсказал этот эффект, названный сверхизлучением, для атомов, расстояние между которыми меньше, чем длина волны. Чтобы оно стало возможным, отдельные излучающие диполи должны быть согласованы в когерентный макроскопический диполь. В этом случае время испускание света уменьшается линейно, а пиковая интенсивность увеличивается квадратично с числом согласованных диполей.

Иллюстрация спонтанного согласования диполей, приводящего к сверхфлуоресценции. Kai Huang et al. / Nature Photonics, 2022

Впервые такое излучение было обнаружено лишь через 20 лет во фтористом водороде. Спустя еще два года Бонифачо и Луджато заметили, что физика увиденного сверхизлучения немного отличается своей немарковостью от того, что предсказывал Дикке. В частности, оно возникает при изначально рассогласованных диполях, которые спонтанно выстраиваются в макроскопический диполь перед излучением. Такой механизм физики назвали сверхфлуоресценцией.

Большая скорость излучения и высокая интенсивность коллективного излучения делает его перспективным для создания быстрых оптических процессоров. Сверхфлуоресценция в этом плане имеет преимущество перед сверхизлучением Дикке, поскольку для нее не требуется дополнительно подготавливать среду. К сожалению, пока сверхфлуоресценцию наблюдали лишь при криогенных температурах в газах, кристаллах с примесями и сверхрешетках, но не в одиночных нанокристаллах, часто используемых в нанофотонике.

Большой шаг в решении этих проблем сделали американские физики под руководством Гана Ханя (Gang Han) из Медицинской школы Массачусетского университета в Вустере и Шуана Фан Лима (Shuang Fang Lim) из Университета штата Северная Каролина. Они добились сверхфлуоресценции в одиночных наночастицах, легированных ионами Nd³⁺, при комнатной температуре. Кроме того, команда впервые увидела антистоксову сверхфлуоресценцию, то есть сверхфлуоресценцию с повышением частоты.

После поглощения фотона атом, молекула или другой эмиттер может испустить его обратно не сразу. За это время эмиттер может испытать излучательную или безызлучательную релаксацию на нижележащий уровень, а уже потом вернуться в основное состояние, излучив. Такой процесс называется стоксовым излучением и характеризуется меньшей энергией переизлученного фотона (или, что то же самое, большей длиной волны). Вместе с тем, возможен процесс, когда эмиттер, наоборот, переходит на верхние уровни за счет накачки или иного воздействия. Излученный при этом фотон будет уже антистоксовым, то есть более коротковолновым.

Антистоксова люминесценция характерна для наночастиц, легированных лантанидами. В случае ионов неодима такое поведение может возникать, когда их плотность достаточно велика. Это позволяет ионам примеси активно обмениваться энергией друг с другом, формируя коррелированные кластеры. Эта связь впоследствии приводит к спонтанному формированию макроскопического дипольного момента и сверхфлуоресценции.

Для проверки этого механизма авторы синтезировали разнообразные наночастицы типа ядро-оболочка и ядро-оболочка-оболочка и объединяли их в случайные ансамбли в несколько (около 30) штук. В роли матрицы выступала решетки NaYF₄ и NaNdF₄, в ряде случаев допированные ионами иттербия и эрбия для сравнения сверхфлуоресценции с обычной антистоксовой люминесценцией. Физики накачивали образцы светом на длине волны 800 нанометров и видели, что излучение от таких композитных наночастиц происходит в два этапа. Первый из них длится несколько десятков наносекунд и соответствует сверхфлуоресценции, второй — сотни микросекунд и соответствует обычной люминесценции.

Зависимость интенсивности люминесценции, испускаемой ансамблем наночастиц на длине волны 652 нанометра, от времени. Во врезе изображено наносекундное начало этой зависимости, соответствующее сверхфлуоресценции. Kai Huang et al. / Nature Photonics, 2022

Ключевым подтверждением того, что сверхфлуоресценция происходит по указанному механизму, стали зависимости интенсивности сигнала от интенсивности накачки. Для обычной антистоксовой люминесценции эта зависимость квадратична, так как в возбуждении участвуют два фотона накачки. В случае же сверхфлуоресцентного сигнала степень зависимости существенно превышала двойку, что свидетельствует о коллективном эффекте.

Авторы исследовали зависимость сверхфлуоресценции от других экспериментальных параметров, а также убедились, что она возникает даже в одиночных наночастицах. И хотя интенсивность сигнала при этом была существенно слабее, чем в случае ансамблей, ширина характерного пика была довольно узкой, около двух нанометров. Такая особенность одиночных наночастиц может быть крайне полезна в приложениях нанофотоники, где требуются быстрые и монохромные сигналы.

Одним их важных условий возникновения сверхфлуоресценции в работе ученых стала высокая плотность ионов неодима, что выражается в малом среднем расстоянии между ними. Однако, коллективное излучение может возникать даже тогда, когда расстояния между диполями существенно превышают длину волны света. Мы рассказывали, как это удалось сделать с помощью волокна.

Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/