В наночастицах впервые наблюдали «фотонную лавину»
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.
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