نجح فريق البروفيسور شياوغانغ ليو من قسم الكيمياء في National University of Singapore، بالتعاون مع البروفيسور ليانغ ليانغ من جامعة شيامن، في نشر دراسة رائدة في مجلة Nature، حيث طوروا فئة جديدة من المواد النانوية المخدومة بعناصر lanthanide تحقق استجابة بصرية غير خطية تزيد عن 500 درجة. هذا الإنجاز يضع معيارًا جديدًا لأبحاث ظاهرة photon avalanche.

تُعد ظاهرة photon avalanche ظاهرة فيزيائية ضوئية نادرة، تتميز بزيادة أسية حادة في شدة الإصدار الضوئي عندما تتجاوز شدة التحفيز عتبة حرجة. عزز الفريق كفاءة نقل الطاقة بين أيونات الثوليوم (thulium ions) من خلال إدخال تشوهات موضعية في المجال البلوري للنانوكريستالات المخدومة بعناصر lanthanide، مما أدى إلى تعزيز كبير في الاستجابة البصرية غير الخطية للمادة. أظهرت التجارب أن النانوكريستالات بحجم 27 نانومتر حققت درجة غير خطية تزيد عن 150، بينما وصلت الأقراص النانوية بحجم 170 نانومتر إلى أكثر من 500.

يقول البروفيسور ليو: "من خلال دمج ظاهرة photon avalanche مع تصميم دقيق للمواد النانوية، نحن نعيد تعريف حدود البصريات غير الخطية." تُظهر هذه المادة خصائص تضخيم ضوئي ممتازة، حيث تحول التغيرات الطفيفة في الإدخال الضوئي إلى تغييرات كبيرة في شدة الإصدار، مما يفتح آفاقًا جديدة للكشف فائق الحساسية.

نجح الفريق في استخدام هذه المادة لتحقيق تصوير فائق الدقة باستخدام شعاع واحد، بدقة تصل إلى 33 نانومتر عرضًا و80 نانومتر عمقًا، وهو ما ينافس أنظمة الميكروسكوب التقليدية المعقدة. كما أظهرت المادة أنماط إصدار غير خطية متمايزة مكانيًا داخل نانوكريستال واحد، متجاوزة قيود الأبعاد الفيزيائية على دقة التصوير.

توفر هذه النتائج تقدمًا تقنيًا في مجالات التصوير الطبي الحيوي، والفوتونيات الكمية، وتخزين البيانات. يشير الباحثون إلى أن هذا الحل الاقتصادي للتصوير فائق الدقة قد يعزز انتشار تقنيات الكشف ذات الصلة. كما يضع هذا البحث أساسًا ماديًا لتطوير أجهزة بصرية أكثر حساسية وصغر حجمًا.