光子如雪也能崩塌

  寂静的雪山，随着一声“咔嚓”的轻响，雪层断裂，“白色妖魔”呼啸而下，巨大的力量能将将所过之处扫荡殆尽，自然界的雪崩危害巨大，能摧毁森林、威胁人类。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，带来的却是革命性的应用。

近日，研究人员开发出了第一个证明“光子雪崩”的纳米材料，这可能会在传感、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研究了这些新的纳米材料粒子，从而证明雪崩行为可以发生在纳米材料中。”

他还提到，这种极致敏感可能会带来难以置信的变革。例如，想象一下，如果能感知化学环境的变化，比如分子物种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。

荷兰乌德勒支大学的Andries Meijerink和Freddy T. Rabouw在相关评论文章中提到，“这一发现将引领对其他能产生光子雪崩的纳米晶体的研究。这些新型纳米粒子的前景是光明的。”他们未参与该研究。

看，它们都雪崩

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。

雪崩是非线性过程的一个极端例子，在这个过程中，输入或激励的变化会导致输出信号不成比例的变化，通常是不相称的大。但为有效地产生非线性光信号，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，没有一片雪花是无辜的。”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发射光子，而且还会产生一个令人惊讶的特性：发射的光子是“上转换”的，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，这些光子在组织内部的特定位置，也就是雪崩纳米颗粒所处的位置，能更好地诱导所需的化学变化——比如杀死癌细胞。

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地影响许多技术，从高效的上转换激光器到光电子、光学传感器和夜视设备。

更小又更大

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，因此光子雪崩几乎只在Ln基材料中进行研究。然而，在这种材料中实现光子雪崩非常困难——它需要许多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，而且通常是要在低温下。

“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感应用开辟了道路。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》。

这些限制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，即便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。

而在新研究中研究人员报告说，他们已经开发出了第一种能展示光子雪崩的纳米材料，纳米粒子形式的光子雪崩的实现开启了一系列新的应用，从实时超分辨率光学显微镜、精确的温度和环境传感、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和合作者，包括劳伦斯伯克利国家实验室的Bruce Cohen和Emory Chan、波兰科学院Artur Bednarkiewicz和韩国成均馆大学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纳米的晶体，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，即入射光的10%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。

突破极限

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，因为局部环境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小组的一名博士生，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——纳米粒子能以大约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，只需要一个单一的激光波长，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感知环境的变化，如温度、压力、湿度的波动，这些目前还无法实现。

无论如何，“我们期待它们在传感、成像和光探测方面带来各种革命性的新应用。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路中典型单晶体管的小空间占用。”Schuck说。

相关论文信息：http://dx.doi.org/10.1038/s41586-020-03092-9