В наночастицах впервые наблюдали «фотонную лавину»

Исследователи разработали первый наноматериал, в котором наблюдается эффект «фотонной лавины». Разработка найдет множество применений — от оптической микроскопии сверхвысокого разрешения до квантового зондирования.

Если на эти наночастицы попадет один фотон, то на выходе из них выйдет 26 квантов света. Впервые такие параметры физики зафиксировали для частиц размером всего 20 нанометров

Лавинообразное движение является примером нелинейного процесса, в котором изменение входного сигнала или возбуждения приводит к очень сильному изменению выходного сигнала. Для эффективного создания нелинейно-оптических сигналов обычно требуются большие объемы вещества, и ранее «фотонную лавину» удавалось наблюдать только в относительно крупных кристаллах.

В оптике фотонная лавина — это процесс, при котором кристалл поглощает один фотон, а испускает сразу несколько. Эффект фотонной лавины можно наблюдать в специализированных лазерах, в которых поглощение квантов света индуцирует каскад событий, в конечном итоге приводящих к эффективной генерации излучения. Особое внимание исследователей привлекает тот факт, что поглощение одного фотона приводит не только к испусканию большого количества этих частиц, но и к удивительному свойству: испускаемые фотоны имеют большую энергию, чем поглощенный. 

До сих пор фотонную лавину удавалось создать только в относительно крупных кристаллах, состоящих из лантаноидов. Теперь исследователи смогли создать частицы из соединений этих элементов размером всего 20 нанометров, в которых также возможно движение фотонной лавины. Команда ученых обнаружила, что нелинейно-оптический отклик в этих наночастицах такой высокий, что изменение интенсивности входящего сигнала всего на 10% приводит к росту интенсивности выходного сигнала более чем на 1000%. Один входящий фотон, согласно расчетам, порождает 26 частиц на выходе.

Такие свойства новых наночастиц сулят им перспективы для использования в качестве сверхчувствительных датчиков, так как они смогут улавливать малейшие изменения в освещенности. Внедрение таких частиц в оптические микроскопы, согласно авторам, позволит значительно превзойти дифракционный предел современных приборов.

Статья об открытии опубликована в журнале Nature.