Ученые из Национального университета Сингапура (NUS) совершили прорыв в нанофотонике — они создали новый тип наноматериалов на основе лантаноидов, которые обладают рекордной нелинейной оптической реакцией. Их показатель превышает 500, что делает эти кристаллы самыми чувствительными в мире к световому воздействию.

Фотонное лавинообразование — редкий и мощный эффект, при котором малейшее увеличение интенсивности света вызывает взрывной рост излучения. Обычные флуоресцентные материалы просто светятся ярче при усилении подсветки, но здесь все иначе: после преодоления определенного порога яркость выстреливает в сотни раз сильнее, будто снежный ком, катящийся с горы.

Группа профессора Лю Сяогана из NUS вместе с коллегами из Сямыньского университета (Китай) обнаружила, что если внедрить в кристаллическую решетку лютеций, это создает искажения в структуре, которые резко усиливают лавинный эффект. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.

Секрет в цепной реакции: ионы тулия (Tm³⁺) поглощают энергию и передают ее друг другу, создавая петлю положительной обратной связи. Это превращает материал в сверхчувствительный «усилитель света», реагирующий даже на минимальные изменения — будь то температура, состав среды или сила излучения.

Команда добилась невероятной нелинейности (более 150 для 27-нанометровых частиц), что позволило проводить сверхточную микроскопию с одним лучом вместо сложных установок. Разрешение достигло 33 нм в ширину и 80 нм в глубину — как в дорогостоящей STED-микроскопии, но без громоздкого оборудования. А 170-нанометровые нанодиски показали рекорд — свыше 500. Более того, внутри кристаллов проявились уникальные узоры излучения, позволяющие различать детали меньше их собственного размера.

Где это пригодится:

• Дешевая альтернатива суперразрешающей микроскопии.
• Датчики для медицины и экологии с беспрецедентной чувствительностью.
• Квантовая оптика: переключатели, источники света нового типа.
• Защищенные системы хранения данных.

Мы пересматриваем границы нелинейной оптики, — говорит профессор Лю. — Технологии станут компактнее, быстрее и точнее.

Исследование открывает путь к дешевым и портативным микроскопам с наноразрешением — например, для диагностики рака на ранних стадиях или изучения вирусов. В квантовых технологиях такие материалы могут стать основой для оптических компьютеров, где информация передается фотонами. Также их можно использовать в сенсорах для обнаружения токсинов или патогенов — достаточно будет слабого свечения для точного анализа.

Пока неясно, насколько стабильны эти нанокристаллы при длительном использовании. Лантаноиды могут быть токсичны, а их синтез — дорогим. Кроме того, эффект лавины требует точной настройки интенсивности света, что усложнит массовое производство устройств.

Ранее мы простыми словами объяснили, что такое редкоземельные металлы.