纳米传感器的红外雪崩聚集动量

埃德温·卡特里奇

美国科学家说，他们已经使用红外纳米传感器，利用光子雪崩现象，以前所未有的灵敏度探测到大范围内的微小作用力(Nature，doi:10.1038/s41586-024-08221-2).他们声称，镧系元素掺杂的器件将非常适合于需要在多个长度尺度上进行精确非侵入性传感的应用--从细胞生物物理学到太空旅行等领域。

少即是多
光子雪崩是一种链式反应，其中由合适的材料吸收的单个光子产生频率更高的多个光子。这种非线性过程是元素周期表中镧系元素的特征，并且允许检测非常微弱的信号，然而，它需要大量的镧系元素离子，并且直到最近才能在块状材料中检测到。

哥伦比亚大学(Columbia University)的吉姆·舒克(Jim Schuck)及其同事在2021年报告称，他们改用直径为25nm的氟化钠晶体(掺有高浓度的镧系元素铥)实现了光子雪崩。该团队现在展示了如何将这些纳米粒子用作异常灵敏的力传感器，通过改变掺杂浓度展示了三种不同类型的感测。

这项工作由哥伦比亚大学的娜塔莉·法迪安·梅拉米德领导，并与劳伦斯·伯克利国家实验室和犹他大学的研究人员合作进行，使用了放置在倒置光学显微镜上的原子力显微镜(AFM)。使用这种装置，研究人员将单个纳米粒子暴露在红外激光下，并测量发射的辐射，同时用原子力显微镜的悬臂轻轻地敲击粒子。

他们说，整整四个数量级的辐射范围是以前任何光学纳米传感器辐射范围的10到100倍。

三种感知类型
利用4.5%-8%的钇离子被铥离子取代的粒子，Schuck和同事首次证明了光子雪崩的存在，在不施加力的情况下，测量到随着泵浦激光的上升，输出强度急剧上升。然后，他们调用原子力显微镜(AFM)开始工作，并揭示了激发-发射曲线的预期变化，这表明对于小至200纳牛顿的力，给定的发射强度需要更高的激发强度。这意味着，对于给定的泵浦功率，更大的力将产生更小的发射。

之后，研究人员通过将每个纳米粒子暴露在0到2.5微牛顿的力下来展示其设置的动态范围--确定在每种情况下，他们可以探测到的范围有多大。他们发现，所有粒子都可以感应超过三个数量级的力，激光泵浦功率决定了距离的终点。较低的功率可以探测到数百皮牛顿到数百纳牛顿，而较高的功率可以探测到一位数的纳米牛顿到一位数的微米牛顿。他们说，整整四个数量级的探测范围是以前任何光学纳米传感器的10到100倍。

通过将掺杂剂浓度降低到4%，可以测量最小的力-系统的分辨率。单独放置，这些粒子不会出现雪崩现象。但当受到原子力显微镜(AFM)的挤压时，它们也表现出发射的非线性上升特征--这与富含镧元素的粒子形成对比，后者的发射在受到挤压时会下降。这种行为使得在3秒钟内探测到小至475皮牛顿的力成为可能，而当铥浓度高于4.5%时，探测到的力只有620皮牛顿。

最后，Schuck，Fardian-Melamed和他的同事们测试了他们所说的“压电变色”传感器。在铥浓度为15%的情况下，这些物体会在两个波长上发射大量的光子雪崩：800纳米(与较低浓度的情况相同)和700纳米。研究人员发现，当施力时，这些发射的比率(传感器的“颜色”)会发生明显的变化--与较短波长的辐射相比，较长波长的辐射会增强。他们认为，这些设备的输出是以比率的形式存在，这一事实可能使它们对环境干扰具有鲁棒性(这使得校准成为一个问题)。

他们认为，这些设备的输出是以比率的形式存在，这一事实可能使它们对环境干扰具有鲁棒性(这使得校准成为一个问题)。

一种新的感知范式
根据舒克的说法，新的结果有助于“改变感知的范式”，它允许在现实世界环境中对力和压力进行灵敏和动态的测量，而这些“目前的技术是无法达到的”。在可以用这些传感器探测的复杂物理或生物系统中，他和他的同事列举了能量储存单元、迁移细胞和发育中的胚胎。他说，在最后一种情况下，附着在细胞膜上的纳米传感器可以潜在地揭示胚胎发育过程中力量的空间变化。

但研究人员警告称，在他们的技术得到广泛应用之前，挑战依然存在。他们说，其中包括纳米粒子之间的固有差异，以及传感器对温度等外部参数波动的敏感性。他们说后一个问题对于压电致变色方案来说不是问题，并且可以通过使用其他镧系元素来确保正确的校准来克服。

出版日期：2025年1月8日

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图：研究人员已经使用掺杂发光镧系元素离子的纳米粒子来探测各种非常弱的力。[图片来源：Andrew Mueller/Columbia Engineering]



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