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雪崩时没有一个光子是次要的
发布人: 和记娱h88 来源: 和记娱乐官方网登录注册 发布时间: 2021-01-31 16:00

  作为国家在科学技术方面的最高学术机构和全国自然科学与高新技术的综合研究与发展中心,建院以来,中国科学院时刻牢记,与科学共进,与祖国同行,以国家富强、人民幸福为己任,人才辈出,硕果累累,为我国科技进步、经济社会发展和做出了不可替代的重要贡献。更多简介 +

  中国科学技术大学(简称“中科大”)于1958年由中国科学院创建于,1970年学校迁至安徽省合肥市。中科大“全院办校、所系结合”的办学方针,是一所以前沿科学和高新技术为主、兼有特色管理与人文学科的研究型大学。

  中国科学院大学(简称“国科大”)始建于1978年,其前身为中国科学院研究生院,2012年更名为中国科学院大学。国科大实行“科教融合”的办学体制,与中国科学院直属研究机构在管理体制、师资队伍、培养体系、科研工作等方面共有、共治、共享、共赢,是一所以研究生教育为主的独具特色的研究型大学。

  上海科技大学(简称“上科大”),由上海市人民与中国科学院共同举办、共同建设,2013年经教育部正式批准。上科大“服务国家发展战略,培养创新创业人才”的办学方针,实现科技与教育、科教与产业、科教与创业的融合,是一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。

  寂静的雪山,随着“咔嚓”一声轻响,雪层断裂,“白色”呼啸而下,将所到之处殆尽。自然界的雪崩危害巨大,能摧毁森林、人类。实际上,雪崩并非雪花专有,光子也能发生“雪崩”,同样的能量喷涌,带来的却是性的应用。

  近日,研究人员开发出了第一个证明“光子雪崩”的纳米材料,有望在传感、成像和光探测等方面带来新的应用。相关论文1月14日刊登于《自然》。

  “之前没有人在纳米材料中看到过这样的‘雪崩’行为。”该研究负责人、美国哥伦比亚大学机械工程副教授James Schuck说,“我们在单纳米粒子水平上进行了研究,从而证明雪崩行为可以发生在纳米材料中。”

  他还提到,这种极致可能会带来难以置信的变革。例如,想象一下,如果能化学的变化,比如级物体的变化或实际存在情况,我们甚至能检测出冠状病毒和其他疾病。

  未参与该研究的荷兰乌德勒支大学的Andries Meijerink和Freddy T. Rabouw在评论文章中提到,“这一发现将引领对能产生光子雪崩的其他纳米晶体的研究。这些新型纳米粒子的前景是的。”

  雪崩过程是由一系列小扰动触发的一连串事件,它可以在除真实积雪崩塌之外的许多现象中被发现,包括香槟泡沫的破裂、核爆炸、激光、神经元网络,甚至金融危机。

  雪崩线性过程的一个极端例子,在这个过程中,输入的变化会导致输出信号不成比例的变化,通常是不相称的放大。但为有效产生非线性光信号,人们通常需要大量的材料,到目前为止光子雪崩也是如此。

  在光学器件中,光子雪崩是晶体中单个光子的吸收导致多个光子发射的过程。光子雪崩被用于专门的激光器中,光子吸收并引发一系列光学事件的连锁反应,最终导致高效的激光发射。

  “雪崩的时候,没有一片雪花是的。”同样,雪崩的时候,每个光子都是重要的。研究人员发现,仅仅单个光子吸收就会导致大量的光子发射,而且还会产生一个令人惊讶的特性:发射光子的“上转换”,即每个都比吸收的光子能量更高。

  这样,科学家就可以利用红外波长产生大量高能量光子,这些光子能在组织内部的特定,也就是雪崩纳米颗粒所处的,更好地所需的化学变化——比如癌细胞。

  40多年前,光子雪崩行为就引起了人们的极大兴趣,因为研究人员认识到它的极端非线性可以广泛影响从高效的上转换激光器到光电子、光学传感器和夜视设备的许多技术。

  一直以来,由于镧(Ln)基材料具有独特的光学特性,使得光子雪崩能够在相对较长的时间内存储光能,因此这一现象几乎只在Ln基材料中进行了研究。然而,在这种材料中实现光子雪崩非常困难——需要许多Ln离子之间的协同作用,同时还需要调节损失途径,因此仅限于大块材料和聚集物,而且通常是在低温情况下。

  “在一些材料中,单个光子的吸收可以触发连锁反应,从而产生大量的光。这些光子雪崩的发现为成像和传用开辟了道。但这种现象以前只能在毫米到厘米尺度的晶体中观察到。”Meijerink告诉《中国科学报》。

  这些已经影响了光子雪崩的相关研究和应用,并导致研究人员几乎只专注于其他具有上转换机制材料的开发,尽管光子雪崩拥有无可比拟的优势,这一过程在极端非线性光学行为和效率的结合方面是无与伦比的。

  而研究人员报告说,他们已经开发出了第一种能展示光子雪崩的纳米材料,纳米粒子形式光子雪崩的实现了一系列新的应用,从实时超分辨率光学显微镜、精确的温度和传感、红外光探测,到光学模拟数字转换和量子传感。

  《中国科学报》从哥伦比亚大学获悉,Schuck与合作者,包括劳伦斯·伯克利国家实验室的Bruce Cohen和Emory Chan、波兰科学院的Artur Bednarkiewicz以及韩国成均馆大学的Yung Doug Suh等人,通过实施一些关键的纳米颗粒设计创新,如选择Ln元素的含量和种类,成功合成了新型的20纳米晶体,并能展示光子雪崩及其极端非线性。

  研究小组观察到这些雪崩纳米颗粒的非线性光学响应为入射光强度的26倍,即入射光10%的变化能导致发射光1000%的变化。这种非线性远远超过了以前报道的Ln系纳米晶体的响应。

  研究人员指出,这些数字意味着雪崩纳米粒子作为传感器有很大的前景,因为局部的一个小变化就可以导致粒子发出100~10000倍的亮度。研究人员还发现,雪崩纳米粒子中巨大的非线性响应可以通过简单的扫描共焦显微镜实现深度亚波长光学成像(雪崩纳米粒子被用作发光探针或造影剂)。

  Schuck告诉记者:“雪崩纳米颗粒让我们大大超越了光学显微镜的衍射分辨率极限,而且基本上是无偿的,因为它们的非线性行为非常明显。”

  该研究的主要作者Changhwan Lee是Schuck小组的博士研究生,他表示,单个雪崩纳米颗粒中的极端非线性能将传统共焦显微镜转换成最新的超分辨率成像系统。

  Meijerink 指出,该研究证明这种材料可以用于超分辨率成像——纳米粒子以大约70纳米的分辨率成像,远远低于成像系统的衍射极限。而且,成像装置简单,只需要单一的激光波长,不到激光器功率的1/10。但也存在一些不足,由于雪崩辐射上升时间较长,使得记录过程变慢,这意味着该技术尚不适合监测生物系统等动态过程。

  Schuck团队正在研究如何更好地变化,如温度、压力、湿度的波动,这些目前还无法实现。

  无论如何,“我们期待在传感、成像和光探测方面带来各种性的新应用。它们在未来的光信息处理芯片中也可能被证明是至关重要的——雪崩纳米颗粒可以提供类似放大器的响应和电子电中典型单晶体管的小空间占用。”Schuck说。

  寂静的雪山,随着“咔嚓”一声轻响,雪层断裂,“白色”呼啸而下,将所到之处殆尽。自然界的雪崩危害巨大,能摧毁森林、人类。实际上,雪崩并非雪花专有,光子也能发生“雪崩”,同样的能量喷涌,带来的却是性的应用。

  近日,研究人员开发出了第一个证明“光子雪崩”的纳米材料,有望在传感、成像和光探测等方面带来新的应用。相关论文1月14日刊登于《自然》。

  “之前没有人在纳米材料中看到过这样的‘雪崩’行为。”该研究负责人、美国哥伦比亚大学机械工程副教授James Schuck说,“我们在单纳米粒子水平上进行了研究,从而证明雪崩行为可以发生在纳米材料中。”

  他还提到,这种极致可能会带来难以置信的变革。例如,想象一下,如果能化学的变化,比如级物体的变化或实际存在情况,我们甚至能检测出冠状病毒和其他疾病。

  未参与该研究的荷兰乌德勒支大学的Andries Meijerink和Freddy T. Rabouw在评论文章中提到,“这一发现将引领对能产生光子雪崩的其他纳米晶体的研究。这些新型纳米粒子的前景是的。”

  雪崩过程是由一系列小扰动触发的一连串事件,它可以在除真实积雪崩塌之外的许多现象中被发现,包括香槟泡沫的破裂、核爆炸、激光、神经元网络,甚至金融危机。

  雪崩线性过程的一个极端例子,在这个过程中,输入的变化会导致输出信号不成比例的变化,通常是不相称的放大。但为有效产生非线性光信号,人们通常需要大量的材料,到目前为止光子雪崩也是如此。

  在光学器件中,光子雪崩是晶体中单个光子的吸收导致多个光子发射的过程。光子雪崩被用于专门的激光器中,光子吸收并引发一系列光学事件的连锁反应,最终导致高效的激光发射。

  “雪崩的时候,没有一片雪花是的。”同样,雪崩的时候,每个光子都是重要的。研究人员发现,仅仅单个光子吸收就会导致大量的光子发射,而且还会产生一个令人惊讶的特性:发射光子的“上转换”,即每个都比吸收的光子能量更高。

  这样,科学家就可以利用红外波长产生大量高能量光子,这些光子能在组织内部的特定,也就是雪崩纳米颗粒所处的,更好地所需的化学变化——比如癌细胞。

  40多年前,光子雪崩行为就引起了人们的极大兴趣,因为研究人员认识到它的极端非线性可以广泛影响从高效的上转换激光器到光电子、光学传感器和夜视设备的许多技术。

  一直以来,由于镧(Ln)基材料具有独特的光学特性,使得光子雪崩能够在相对较长的时间内存储光能,因此这一现象几乎只在Ln基材料中进行了研究。然而,在这种材料中实现光子雪崩非常困难——需要许多Ln离子之间的协同作用,同时还需要调节损失途径,因此仅限于大块材料和聚集物,而且通常是在低温情况下。

  “在一些材料中,单个光子的吸收可以触发连锁反应,从而产生大量的光。这些光子雪崩的发现为成像和传用开辟了道。但这种现象以前只能在毫米到厘米尺度的晶体中观察到。”Meijerink告诉《中国科学报》。

  这些已经影响了光子雪崩的相关研究和应用,并导致研究人员几乎只专注于其他具有上转换机制材料的开发,尽管光子雪崩拥有无可比拟的优势,这一过程在极端非线性光学行为和效率的结合方面是无与伦比的。

  而研究人员报告说,他们已经开发出了第一种能展示光子雪崩的纳米材料,纳米粒子形式光子雪崩的实现了一系列新的应用,从实时超分辨率光学显微镜、精确的温度和传感、红外光探测,到光学模拟数字转换和量子传感。

  《中国科学报》从哥伦比亚大学获悉,Schuck与合作者,包括劳伦斯·伯克利国家实验室的Bruce Cohen和Emory Chan、波兰科学院的Artur Bednarkiewicz以及韩国成均馆大学的Yung Doug Suh等人,通过实施一些关键的纳米颗粒设计创新,如选择Ln元素的含量和种类,成功合成了新型的20纳米晶体,并能展示光子雪崩及其极端非线性。

  研究小组观察到这些雪崩纳米颗粒的非线性光学响应为入射光强度的26倍,即入射光10%的变化能导致发射光1000%的变化。这种非线性远远超过了以前报道的Ln系纳米晶体的响应。

  研究人员指出,这些数字意味着雪崩纳米粒子作为传感器有很大的前景,因为局部的一个小变化就可以导致粒子发出100~10000倍的亮度。研究人员还发现,雪崩纳米粒子中巨大的非线性响应可以通过简单的扫描共焦显微镜实现深度亚波长光学成像(雪崩纳米粒子被用作发光探针或造影剂)。

  Schuck告诉记者:“雪崩纳米颗粒让我们大大超越了光学显微镜的衍射分辨率极限,而且基本上是无偿的,因为它们的非线性行为非常明显。”

  该研究的主要作者Changhwan Lee是Schuck小组的博士研究生,他表示,单个雪崩纳米颗粒中的极端非线性能将传统共焦显微镜转换成最新的超分辨率成像系统。

  Meijerink 指出,该研究证明这种材料可以用于超分辨率成像——纳米粒子以大约70纳米的分辨率成像,远远低于成像系统的衍射极限。而且,成像装置简单,只需要单一的激光波长,不到激光器功率的1/10。但也存在一些不足,由于雪崩辐射上升时间较长,使得记录过程变慢,这意味着该技术尚不适合监测生物系统等动态过程。

  Schuck团队正在研究如何更好地变化,如温度、压力、湿度的波动,这些目前还无法实现。

  无论如何,“我们期待在传感、成像和光探测方面带来各种性的新应用。它们在未来的光信息处理芯片中也可能被证明是至关重要的——雪崩纳米颗粒可以提供类似放大器的响应和电子电中典型单晶体管的小空间占用。”Schuck说。

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