Naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego i Instytutu Niskich Temperatur Polskiej Akademii Nauk odkryli nowy efekt emisji w nanocząstkach konwertujących energię w górę. Odkrycie otwiera drogę do wizualizacji promieniowania podczerwonego, wykraczającego poza zakres czułości standardowych detektorów. Wyniki badań zostały publikowane w czasopiśmie „ACS Nano”.

Naukowcy z Laboratorium Procesów Ultraszybkich Wydziału Fizyki UW oraz Instytutu Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN udowodnili, że światło potrafi zaskakiwać. Badacze odkryli nowy efekt wzmocnienia emisji nanocząstek konwertujących energię w górę. Badacze wykazali, że jednoczesne pobudzanie tych struktur dwiema wiązkami promieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni prowadzi do znacznego zwiększenia intensywności emisji. W szczególnych przypadkach wywołuje emisję światła widzialnego nawet wówczas, gdy żadna z wiązek wzbudzających nie wywołuje tego efektu samodzielnie.

Odkrycie to otwiera drogę do wizualizacji promieniowania podczerwonego, wykraczającego poza zakres czułości standardowych detektorów. Wyniki badań, mogą znaleźć zastosowanie m.in. w mikroskopii i technologiach fotonicznych.

Nowy kierunek badań

Wśród materiałów fotoaktywnych wykorzystywanych w technologiach fotonicznych szczególnie wyróżniają się te, które pochłaniają fotony o niższej energii i emitują fotony o wyższej energii. Takie zjawisko jest możliwe dzięki akumulacji energii kilku sekwencyjnie zaabsorbowanych fotonów w materiale, a następnie emisji pojedynczego fotonu – o wyższej już energii. Choć konwersja energii fotonów należy do najczęściej wykorzystywanych właściwości tych materiałów, inne ich zastosowania wynikają z nieliniowości emisji, czyli faktu, iż natężenie emitowanego światła nie jest liniową funkcją natężenia światła wzbudzającego. Dzięki tej właściwości materiały konwertujące energię w górę – pod postacią nanocząstek domieszkowanych jonami lantanowców – mogą być wykorzystywane do zwiększania rozdzielczości obrazów mikroskopowych.

Paulina Rajchel-Mieldzioć, prowadząca badania  w Laboratorium Procesów Ultraszybkich Zakładu Optyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki UW zainicjowała nowy kierunek badań nad potencjalnymi zastosowaniami tych materiałów. Wykorzystała ona fakt, że jony metali ziem rzadkich, stanowiące materiał fotoaktywny w nanocząstkach konwertujących energię, mają złożoną strukturę poziomów energetycznych, co umożliwia im oddziaływanie ze światłem o wielu różnych długościach fali. Badaczka odkryła, że gdy nanocząstki są oświetlane nie tylko wiązką o długości fali typowo stosowanej do wzbudzania ich emisji, lecz również dodatkowymi wiązkami z zakresu bliskiej podczerwieni, natężenie emitowanego światła może wzrosnąć nawet wielokrotnie.

– W szczególnych warunkach możliwa jest emisja światła widzialnego, wywoływana jedynie przez współdziałanie dwóch wiązek z zakresu bliskiej podczerwieni, gdy żadna z nich nie prowadzi do tego efektu samodzielnie – zauważa Paulina Rajchel-Mieldzioć.

Odkryty efekt może znaleźć zastosowanie w detekcji światła podczerwonego i jego konwersji na zakres widzialny, a także w opracowywaniu nowych technik mikroskopowych oraz metod obliczeniowych opartych wyłącznie na przetwarzaniu światła, otwierając tym samym nowe perspektywy dla rozwoju nowoczesnych technologii optycznych.

Wyniki badań, przeprowadzonych we współpracy z zespołem prof. Artura Bednarkiewicza z Instytutu Badań Strukturalnych i Niskich Temperatur PAN, zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „ACS Nano”.