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換領域取得重要突破，他們提出納米晶內部量子態與外部光學環境協同調控理論，預言并在單顆粒水平上揭示光學納腔效應在光子上轉換中存在增強飽和的現象，演示了橫跨7個數量級的上轉換增強范圍，成功實現了極低照度下高亮度光子上轉換，從而展現了上轉換納米晶在生物成像、傳感、顯示等領域的巨大應用潛力。相關成果以“Bright single-nanocrystal upconversion at sub 0.5 W cm?2 irradiance via coupling to single nanocavity mode”為題12月22日在線發表于光學領域國際頂尖學術刊物《自然·光子學》（Nature Photonics）上。

研究背景

稀土離子摻雜的納米晶，可將低能量光子轉換成高能量光子發射，在生物成像、傳感、顯示、信息存儲、光伏等領域具有廣闊的應用前景。但是，其成功實際應用的關鍵在于能否在低激發光強下實現高亮度的光子上轉換。為提高上轉換亮度，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部的材料組分、晶相、表面化學等各個方面作了優化，同時平行地，光學工作者們優化了納米晶的外部光學環境，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，但納米晶上轉換的絕對亮度始終不如人意。

目前等離激元增強光子上轉換的研究中存在3個關鍵問題亟待解決：

1）從圖1a可以看到，報道的上轉換增強倍數差異巨大，從0.1倍到10,000倍，橫跨5個數量級，缺乏統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的真實功效產生了疑慮，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。

圖1 納米晶光子上轉換增強研究的綜述：a, 相對增強倍數；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換方面取得了重要突破。

首先，他們給出了納米晶內部量子態與外部光學環境協同調控理論，指出不僅需要考慮通常的激發光的增強和發光效率的改變，而且必須考慮量子效應導致的上轉換稀土離子內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，這是光子上轉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換將出現與摻雜濃度依賴的增強系數飽和現象。

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, 納米晶光子上轉換物理過程示意圖；c, 單顆粒納米晶與光學納腔協同調控實驗系統。

在實驗研究方面，研究團隊構建了一個簡潔的實驗平臺——可調諧的單顆粒納米晶與光學納腔單個模式耦合系統，在單顆粒水平上無可爭辯地證實了上面的理論預言，實驗展示了上轉換增強系數依據摻雜濃度和激發設置的不同可在0.005到230,000之間變化——橫跨7個數量級。研究團隊還進一步實驗證實納米晶內部量子態和外部光學環境協同調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飽和現象

圖4 創紀錄的上轉換增強倍數（230,000倍）

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

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

總結與展望

研究背景中提到的3個關鍵問題都在該論文中得到了解決：

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

2）論文報道的增強倍數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。

3）論文在絕對亮度上取得大幅突破（提升了兩個數量級以上），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換增強思路不依賴于具體的光學納腔實現方式，并且適用于不同的上轉換材料體系，這種光子上轉換增強的新方法可以通過自組裝方法擴展到大規模系統，從而為納米晶光子上轉換的各種未來應用鋪平了道路。

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