Международная команда ученых впервые синтезировала нанокристаллы, в которых может возникать фотонная лавина. Наночастицы на основе лантаноидов способны повысить интенсивность падающего света более чем на 1000% и могут найти применение в визуализации, зондировании и изготовлении сенсоров.

Работа опубликована в журнале Nature.

Международный коллектив исследователей под руководством ученых из Колумбийского университета создал наноматериал, в котором возможно возникновение фотонной лавины. Открытие актуально для множества практических приложений от оптической микроскопии сверхвысокого разрешения в реальном времени и измерения параметров окружающей среды до оптического аналого-цифрового преобразования и квантовых сенсоров.

Фотонная лавина — это процесс, при котором поглощение в кристалле одного фотона приводит к испусканию множества других. Этот эффект используется в специализированных лазерах, где поглощение фотонов запускает цепную реакцию, которая в конечном итоге приводит к эффективной генерации излучения. Кроме того, испускаемые фотоны имеют более высокую энергию, чем поглощенные (более синий цвет); происходит так называемое «преобразование с повышением частоты». Для создания фотонной лавины обычно используют лантаноиды, однако требуются большие объемы материала, что накладывает многочисленные ограничения.

Авторы статьи показали, что при сочетании определенных разновидностей лантанидов возможно синтезировать 20-нанометровые кристаллы, в которых может возникать лавина фотонов. В новых наночастицах изменение падающего света на 10% вызывает усиление излучения более чем на 1000%. Это делает наночастицы перспективными в качестве датчиков и сенсоров.

Теперь исследователи занимаются практическими разработками, чтобы сделать наночастицы чувствительными к определенным изменениям окружающей среды: колебаниям температуры, давления и влажности.