哥倫比亞工程學院、伯克利實驗室和蔚山國家科學技術研究所的科學家證明，超光穩定雪崩納米顆粒能夠進行無限的光切換，為光學探針、3D存儲器和超解析度顯微鏡的進步鋪平了道路。

圖示：通過穩定、可光切換的雪崩納米顆粒實現微尺度光學可重寫圖案。在這裡，圖案只使用紅外光擦除和重寫，在全亮、全關、哥倫比亞皇冠、全關和笑臉之間切換。

2021年，時任哥倫比亞工程學Jim Schuck's實驗室博士生的Changwan Lee從伯克利實驗室分子鑄造廠開發的超小晶體中引發了一場極端的發光連鎖反應，摻入鑭系元素的納米顆粒掀起了波瀾，或者更確切地說，引發了雪崩。這些晶體眨眼間又回來了，現在可以被有意地無限期地控制。

機械工程副教授Schuck說： 「我們發現了第一個完全可光穩定、完全可光切換的納米顆粒——納米探針設計的聖杯」。

這種獨特的材料是在分子鑄造廠的Emory Chan和Bruce Cohen實驗室、勞倫斯伯克利國家實驗室以及韓國的一個國家實驗室合成的。研究小組還包括Yung Doug Suh在蔚山國家科學技術研究所的實驗室。

聖杯：一個簡單、穩定的電燈開關

用於光學記憶、納米圖案化和生物成像等應用的現有有機染料和螢光蛋白已經取得了多年的突破，並於2014年獲得了諾貝爾化學獎，但這些分子的壽命有限。照明後，大多數會開始隨機閃爍，最終會永久變暗，或「光漂白」

相反，鑭系元素摻雜的納米顆粒顯示出顯著的光穩定性。Schuck指出，2018年的一天，Lee和博士生Emma Xu觀察到一塊水晶變暗，然後又重新打開。Lee深入研究了這些文獻，發現了30年前提到的可以「光標記」和「光增亮」的鑭系光纖，這表明眨眼行為是可以控制的。

5月31日發表在《自然》雜誌上的一篇新論文中，該團隊就是這樣做的。使用近紅外光，他們在不同的環境和水環境中使納米顆粒變暗和變亮了一千多次，沒有降解的跡象。

研究人員說：「我們可以簡單地使用普通雷射，用一種波長的光關閉這些粒子，然後用另一種波長重新打開」。值得注意的是，近紅外光可以以最小的散射或光毒性深入無機材料和生物組織。

奇怪的結果照亮了未來的應用

著眼於潛在的應用，該團隊展示了如何使用粒子在3D基板上寫入和重寫圖案，這有朝一日可以改善高密度光學數據存儲和計算機內存。

Suh說：「這種不確定的雙向光開關納米晶體可以產生一種全光量子存儲設備，用於存儲量子計算機產生的大量數據，比如CD-ROM和CD-RW，但速度更快、更精確」。

這些粒子還提供潛在的無限解析度，這取決於超解析度納米顯微鏡下探針產生的光子數量。使用Suh實驗室的設備，研究人員僅在幾個小時內就達到了亞埃級精度。

該團隊認為，在目前的工作中觀察到的光開關最終是由於原子晶體缺陷太小，即使用最先進的電子顯微鏡也無法觀察到。這些缺陷使粒子的雪崩閾值向上或向下移動，並且可以通過不同波長的光來切換，以使信號更暗或更亮。

除了在光學存儲器、超解析度顯微鏡、生物成像和生物傳感方面尋求潛在應用外，該團隊還在分子鑄造廠使用納米顆粒合成機器人、先進的計算模型、，以及機器學習，以進一步改進當前的晶體，並探索它們是否可以合成具有類似光開關特性的其他類型的納米顆粒。

Cohen說，這整個研究令人驚訝。「自2009年發表論文以來，我們一直在說這類納米顆粒不會開關，但這正是我們在這裡研究的。我們在這些納米顆粒中發現的一件事是接受了奇怪的結果」。

這項研究於5月31日發表在《自然》雜誌上。

DOI：10.1038/s41586-023-06076-7