導讀

近日，華中科技大學陳學文、唐建偉與哈工大陳冠英教授合作在納米晶光子上轉(zhuǎn)換領(lǐng)域取得重要突破，他們提出納米晶內(nèi)部量子態(tài)與外部光學環(huán)境協(xié)同調(diào)控理論，預言并在單顆粒水平上揭示光學納腔效應(yīng)在光子上轉(zhuǎn)換中存在增強飽和的現(xiàn)象，演示了橫跨7個數(shù)量級的上轉(zhuǎn)換增強范圍，成功實現(xiàn)了極低照度下高亮度光子上轉(zhuǎn)換，從而展現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換納米晶在生物成像、傳感、顯示等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以“Bright single-nanocrystal upconversion at sub 0.5 W cm?2 irradiance via coupling to single nanocavity mode”為題12月22日在線發(fā)表于光學領(lǐng)域國際頂尖學術(shù)刊物《自然·光子學》（Nature Photonics）上。

研究背景

稀土離子摻雜的納米晶，可將低能量光子轉(zhuǎn)換成高能量光子發(fā)射，在生物成像、傳感、顯示、信息存儲、光伏等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是，其成功實際應(yīng)用的關(guān)鍵在于能否在低激發(fā)光強下實現(xiàn)高亮度的光子上轉(zhuǎn)換。為提高上轉(zhuǎn)換亮度，在過去的二十年里研究者們投入了巨量的資源，材化學者們對納米晶內(nèi)部的材料組分、晶相、表面化學等各個方面作了優(yōu)化，同時平行地，光學工作者們優(yōu)化了納米晶的外部光學環(huán)境，例如采用表面等離激元耦合。然而，盡管這兩條線的進展都很顯著，但納米晶上轉(zhuǎn)換的絕對亮度始終不如人意。

目前等離激元增強光子上轉(zhuǎn)換的研究中存在3個關(guān)鍵問題亟待解決：

1）從圖1a可以看到，報道的上轉(zhuǎn)換增強倍數(shù)差異巨大，從0.1倍到10,000倍，橫跨5個數(shù)量級，缺乏統(tǒng)一的理論框架來合理解釋這巨大的跨度。

2）從圖1a還可以看到，目前單顆粒對比實驗給出的最高增強倍數(shù)僅能達到百倍，與系綜實驗報道的萬倍增強相差甚遠。這是一個令人擔憂的情況，因為單顆粒對比實驗由于排除了系綜非均一性的影響，因而被認為魯棒性更高。

3）從圖1b可以看到，目前報道的等離激元增強上轉(zhuǎn)換的絕對亮度居然顯著低于目前最亮的納米晶，這不禁讓人對等離激元增強效應(yīng)的真實功效產(chǎn)生了疑慮，畢竟人們追求的終極指標是絕對亮度，而絕非相對增強倍數(shù)。

圖1 納米晶光子上轉(zhuǎn)換增強研究的綜述：a, 相對增強倍數(shù)；b, 絕對亮度。

研究亮點

陳學文教授團隊及其合作者基于Yb和Tm (Er)稀土離子共摻雜體系的納米晶，結(jié)合表面等離激元光學納腔，在單顆粒納米晶高亮度光子上轉(zhuǎn)換方面取得了重要突破。

首先，他們給出了納米晶內(nèi)部量子態(tài)與外部光學環(huán)境協(xié)同調(diào)控理論，指出不僅需要考慮通常的激發(fā)光的增強和發(fā)光效率的改變，而且必須考慮量子效應(yīng)導致的上轉(zhuǎn)換稀土離子內(nèi)部的光物理動力學的改變，后者與稀土離子摻雜濃度密切相關(guān)，這是光子上轉(zhuǎn)換增強觀念上的一個進步。基于該理論，他們預言了在光學納腔作用下光子上轉(zhuǎn)換將出現(xiàn)與摻雜濃度依賴的增強系數(shù)飽和現(xiàn)象。

圖2 a, 單顆粒納米晶與光學納腔單模場相互作用示意圖；b, 納米晶光子上轉(zhuǎn)換物理過程示意圖；c, 單顆粒納米晶與光學納腔協(xié)同調(diào)控實驗系統(tǒng)。

在實驗研究方面，研究團隊構(gòu)建了一個簡潔的實驗平臺——可調(diào)諧的單顆粒納米晶與光學納腔單個模式耦合系統(tǒng)，在單顆粒水平上無可爭辯地證實了上面的理論預言，實驗展示了上轉(zhuǎn)換增強系數(shù)依據(jù)摻雜濃度和激發(fā)設(shè)置的不同可在0.005到230,000之間變化——橫跨7個數(shù)量級。研究團隊還進一步實驗證實納米晶內(nèi)部量子態(tài)和外部光學環(huán)境協(xié)同調(diào)控理論在不同的材料體系中成立，具有普遍意義。

圖3 在單顆粒水平上無可爭辯地證實與摻雜濃度依賴的增強系數(shù)飽和現(xiàn)象

圖4 創(chuàng)紀錄的上轉(zhuǎn)換增強倍數(shù)（230,000倍）

最后，研究團隊給出了獲得超亮納米晶光子上轉(zhuǎn)換的一般性思路，在此基礎(chǔ)上制備了樣品和器件，實驗演示了在激發(fā)功率密度低至0.45 W cm?2時仍可檢測到每秒560個光子的可觀上轉(zhuǎn)換信號，比此前記錄提升了兩個數(shù)量級以上。

圖5 激發(fā)功率密度低至0.45 W cm?2時仍可檢測到每秒560個光子的可觀上轉(zhuǎn)換信號

總結(jié)與展望

研究背景中提到的3個關(guān)鍵問題都在該論文中得到了解決：

1）論文給出了納米晶內(nèi)部量子態(tài)與外部光學環(huán)境協(xié)同調(diào)控理論，還構(gòu)建了協(xié)同調(diào)控實驗技術(shù)平臺，不僅合理解釋并理性演示了橫跨多個數(shù)量級的上轉(zhuǎn)換增強倍數(shù)，還將增強范圍從5個數(shù)量級（0.1倍到10,000倍）大幅擴大到7個數(shù)量級（0.005倍到230,000倍）。

2）論文報道的增強倍數(shù)均是基于最嚴格的同一單顆粒對比，魯棒性極高，將先前單顆粒增強遠遜于系綜增強的不利狀況一舉扭轉(zhuǎn)。

3）論文在絕對亮度上取得大幅突破（提升了兩個數(shù)量級以上），無可爭議地證明了等離激元增強路線是行之有效且具有廣闊前景的。

論文提出的光子上轉(zhuǎn)換增強思路不依賴于具體的光學納腔實現(xiàn)方式，并且適用于不同的上轉(zhuǎn)換材料體系，這種光子上轉(zhuǎn)換增強的新方法可以通過自組裝方法擴展到大規(guī)模系統(tǒng)，從而為納米晶光子上轉(zhuǎn)換的各種未來應(yīng)用鋪平了道路。

論文信息

華中科技大學物理學院孟勇軍博士為該論文的第一作者，華中科技大學物理學院陳學文教授、唐建偉副教授和哈爾濱工業(yè)大學化工學院陳冠英教授為該論文的共同通訊作者，華中科技大學為第一完成單位。該成果得到了國家自然科學基金（11874166，92150111，62235006，12004130，51972084，52272270，51672061）、華中科技大學、中央高校基本科研專項資金和城市水資源與水環(huán)境國家重點實驗室（2020DX10）的資助。

論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41566-022-01101-z

審核編輯 ：李倩