福建物構所實現(xiàn)Nd3納秒級室溫上轉(zhuǎn)換超熒光

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】超熒光屬于量子光學范疇，它是多粒子體系的集體自發(fā)輻射行為。在光激發(fā)下，自發(fā)輻射場與周圍偶極子相互作用發(fā)生相位同步，形成宏觀巨偶極子，產(chǎn)生短而強的光脈沖(圖1a)。因此，超熒光比普通熒光更快、更強，在量子計算、量子通訊等前沿領域具有廣泛的應用前景。傳統(tǒng)超熒光需要在低溫、低壓和強磁場等極端條件下實現(xiàn)。得益于稀土離子的窄線寬和退相干時間長的優(yōu)點，近期，研究人員在室溫下觀測到了Nd3+的上轉(zhuǎn)換超熒光。然而，由于參與相干耦合的粒子數(shù)低(N= 11)，超熒光發(fā)射強度和熒光壽命還無法滿足實際應用要求。另外，稀土上轉(zhuǎn)換超熒光的激發(fā)態(tài)動力學等基礎發(fā)光物理還有待進一步深入研究。
 

　　圖1、(a)光激發(fā)下非相干偶極子發(fā)生相干耦合建立超熒光過程示意圖，NaNdF4@NaYF4核殼結構納米晶的(b)透射電鏡照片、(c)元素面掃圖、808 nm穩(wěn)態(tài)激光與800 nm飛秒脈沖激光激發(fā)下的(d)上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜和(e)熒光衰減曲線，(f) Nd3+的能級結構與上轉(zhuǎn)換電子躍遷過程。
 

　　近日，中國科學院福建物質(zhì)結構研究所/閩都創(chuàng)新實驗室陳學元團隊基于自行研制的納米光子學測試系統(tǒng)，采用800 nm飛秒脈沖激光激發(fā)，首次觀測到Nd3+納秒級的室溫上轉(zhuǎn)換超熒光。團隊首先對比測試了NaNdF4@NaYF4核殼結構納米晶在穩(wěn)態(tài)和飛秒脈沖激光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜和熒光壽命(圖1b-e)。與Nd3+的常規(guī)上轉(zhuǎn)換發(fā)光相比，飛秒激光激發(fā)下Nd3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)射強度和輻射躍遷速率提升了三個數(shù)量級，其中588 nm(4G7/2 → 4I11/2)的熒光壽命從2.28 μs縮短到2.5 ns，且來自同一上能級躍遷(4G7/2)的588 nm和656 nm處熒光壽命明顯不同(圖1f)，表現(xiàn)出超熒光的特征。
 

　　基于超熒光小樣本體系的Dicke模型，團隊揭示了Nd3+超熒光初始量子階段激發(fā)態(tài)粒子相干耦合與超熒光延遲特征的內(nèi)在關聯(lián)。隨著激發(fā)光功率密度增大，參與相干耦合的粒子數(shù)增多，Nd3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)射逐漸增強，輻射衰減和延遲時間顯著縮短(圖2a,b)。其中，參與相干耦合的粒子數(shù)(N)高達912，是目前文獻報道的超熒光材料最高值。功率依賴關系測試表明，Nd3+的雙光子上轉(zhuǎn)換超熒光與激發(fā)光功率存在4次方關系(圖2c)，符合超熒光的理論預期。另外，依據(jù)Arecchi-Courtens限制條件，通過調(diào)節(jié)輻射體的有效輻射長度，還觀測到Nd3+上轉(zhuǎn)換超熒光的激發(fā)態(tài)弛豫振蕩現(xiàn)象(Burnham-Chiao ringing)，并實現(xiàn)對它的調(diào)控(圖2d-f)。這些結果為稀土上轉(zhuǎn)換超熒光及應用奠定了理論和實驗基礎。
 

　　圖2、不同功率密度800 nm飛秒脈沖激光激發(fā)下，NaYF4:Nd3+@NaYF4核殼結構納米晶的(a)熒光衰減和(b)上升沿曲線，(c)超熒光激發(fā)-發(fā)射功率依賴關系，(d-f)超熒光強度振蕩現(xiàn)象：通過改變輻射體有效長度調(diào)控超熒光強度振蕩。
 

　　該工作突破了稀土離子因f → f禁戒躍遷存在發(fā)光效率低、熒光壽命長的局限性，為新型超快、高亮稀土上轉(zhuǎn)換納米發(fā)光材料的設計合成及其在量子光學、快速超分辨成像等前沿領域的應用開發(fā)提供了新途徑。相關結果于2024年11月15日在線發(fā)表在《自然·通訊》雜志(Nat. Commun.2024,15,9880. DOI: 10.1038/s41467-024-54314-x)。論文的第一作者是是中國科學院福建物構所碩士生周夢薇，通訊作者為中國科學院福建物構所黃萍、鄭偉、陳學元研究員和商曉穎助理研究員。該工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金和福建省自然科學基金等項目支持。
 

　　此前，陳學元團隊在稀土納米發(fā)光材料的設計合成和激發(fā)態(tài)動力學研究方面取得了系列重要進展。例如，提出稀土硫氧化物/氟化物的“三明治”夾心結構設計，實現(xiàn)稀土硫氧化物納米晶的高效上轉(zhuǎn)換/下轉(zhuǎn)移發(fā)光(Aggregate 2023, 4, e387)；通過消除納米晶內(nèi)部OH−缺陷并利用Tm3+的異價摻雜加速交叉弛豫，實現(xiàn)KMgF3: Tm3+納米晶在802 nm的27階光子雪崩上轉(zhuǎn)換發(fā)光(Nano Lett. 2023,23,8576-8584)。