光子如雪也能崩塌

  寂靜的雪山，隨著一聲“咔嚓”的輕響，雪層斷裂，“白色妖魔”呼嘯而下，巨大的力量能將將所過之處掃蕩殆盡，自然界的雪崩危害巨大，能摧毀森林、威脅人類。實際上，雪崩并非雪花專有，光子也能發生雪崩，同樣的能量噴涌，帶來的卻是革命性的應用。

近日，研究人員開發出了第一個證明“光子雪崩”的納米材料，這可能會在傳感、成像和光探測等方面帶來新的應用。相關論文1月14日刊登于《自然》。

“之前沒有人在納米材料中看到過這樣的‘雪崩’行為。”該研究負責人、美國哥倫比亞大學機械工程副教授James Schuck說，“我們在單納米粒子水平上研究了這些新的納米材料粒子，從而證明雪崩行為可以發生在納米材料中。”

他還提到，這種極致敏感可能會帶來難以置信的變革。例如，想象一下，如果能感知化學環境的變化，比如分子物種的變化或實際存在情況，我們甚至能檢測出冠狀病毒和其他疾病。

荷蘭烏德勒支大學的Andries Meijerink和Freddy T. Rabouw在相關評論文章中提到，“這一發現將引領對其他能產生光子雪崩的納米晶體的研究。這些新型納米粒子的前景是光明的。”他們未參與該研究。

看，它們都雪崩

雪崩過程是由一系列小擾動觸發的一連串事件，它可以在除真實積雪崩塌之外的許多現象中被發現，包括香檳泡沫的破裂、核爆炸、激光、神經元網絡，甚至金融危機。

雪崩是非線性過程的一個極端例子，在這個過程中，輸入或激勵的變化會導致輸出信號不成比例的變化，通常是不相稱的大。但為有效地產生非線性光信號，人們通常需要大量的材料，到目前為止光子雪崩也是如此。

在光學器件中，光子雪崩是晶體中單個光子的吸收導致多個光子發射的過程。光子雪崩被用于專門的激光器中，光子吸收引發一系列光學事件的連鎖反應，最終導致高效的激光發射。

“雪崩的時候，沒有一片雪花是無辜的。”同樣，雪崩的時候，每個光子都是重要的。研究人員發現，僅僅單個光子吸收就會導致大量的發射光子，而且還會產生一個令人驚訝的特性：發射的光子是“上轉換”的，每個都比吸收的光子能量更高。

這樣，科學家就可以利用紅外波長產生大量高能量光子，這些光子在組織內部的特定位置，也就是雪崩納米顆粒所處的位置，能更好地誘導所需的化學變化——比如殺死癌細胞。

40多年前，光子雪崩行為就引起了人們的極大興趣，因為研究人員認識到它的極端非線性可以廣泛地影響許多技術，從高效的上轉換激光器到光電子、光學傳感器和夜視設備。

更小又更大

一直以來，由于鑭（Ln）基材料具有獨特的光學特性，使得光子雪崩能夠在相對較長的時間內存儲光能，因此光子雪崩幾乎只在Ln基材料中進行研究。然而，在這種材料中實現光子雪崩非常困難——它需要許多Ln離子之間的協同作用，同時還需要調節損失途徑，因此僅限于大塊材料和聚集物，而且通常是要在低溫下。

“在一些材料中，單個光子的吸收可以觸發連鎖反應，從而產生大量的光。這些光子雪崩的發現為成像和傳感應用開辟了道路。但這種現象以前只能在毫米到厘米尺度的晶體中觀察到。”Meijerink告訴《中國科學報》。

這些限制已經影響了光子雪崩的相關研究和應用，并導致研究人員幾乎只專注于其他具有上轉換機制材料的開發，即便光子雪崩擁有無可比擬的優勢，這一過程在極端非線性光學行為和效率的結合方面是無與倫比的。

而在新研究中研究人員報告說，他們已經開發出了第一種能展示光子雪崩的納米材料，納米粒子形式的光子雪崩的實現開啟了一系列新的應用，從實時超分辨率光學顯微鏡、精確的溫度和環境傳感、紅外光探測，到光學模擬數字轉換和量子傳感。

《中國科學報》從哥倫比亞大學獲悉，Schuck和合作者，包括勞倫斯伯克利國家實驗室的Bruce Cohen和Emory Chan、波蘭科學院Artur Bednarkiewicz和韓國成均館大學Yung Doug Suh等人，通過實施一些關鍵的納米顆粒設計創新，如選擇Ln元素的含量和種類，成功合成了新型的20納米的晶體，并能展示光子雪崩及其極端非線性。

研究小組觀察到這些雪崩納米顆粒的非線性光學響應為入射光強度的26倍，即入射光的10%變化能導致發射光1000%的變化。這種非線性遠遠超過了以前報道的Ln系納米晶體的響應。

突破極限

研究人員指出，這些數字意味著雪崩納米粒子作為傳感器有很大的前景，因為局部環境的一個小變化就可以導致粒子發出100~10000倍的亮度。研究人員還發現，雪崩納米粒子中巨大的非線性響應可以通過簡單的掃描共焦顯微鏡實現深度亞波長光學成像（雪崩納米粒子被用作發光探針或造影劑）。

Schuck告訴記者：“雪崩納米顆粒讓我們大大超越了光學顯微鏡的衍射分辨率極限，而且基本上是無償的，因為它們的非線性行為非常明顯。”

該研究的主要作者Changhwan Lee是Schuck小組的一名博士生，他表示，單個雪崩納米顆粒中的極端非線性能將傳統共焦顯微鏡轉換成最新的超分辨率成像系統。

Meijerink 指出，該研究證明這種材料可以用于超分辨率成像——納米粒子能以大約70納米的分辨率成像，遠遠低于成像系統的衍射極限。而且，成像裝置簡單，只需要一個單一的激光波長，且不到激光器功率的十分之一。但也存在一些不足，由于雪崩輻射上升時間較長，使得記錄過程變慢，這意味著該技術尚不適合監測生物系統等動態過程。

Schuck團隊正在研究如何更好地感知環境的變化，如溫度、壓力、濕度的波動，這些目前還無法實現。

無論如何，“我們期待它們在傳感、成像和光探測方面帶來各種革命性的新應用。它們在未來的光信息處理芯片中也可能被證明是至關重要的，雪崩納米顆粒可以提供類似放大器的響應和電子電路中典型單晶體管的小空間占用。”Schuck說。

相關論文信息：http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-03092-9