El equipo del profesor Xiaogang Liu del Departamento de Química de la Universidad Nacional de Singapur, en colaboración con el profesor Liangliang Huang de la Universidad de Xiamen, publicó resultados de investigación innovadores en la revista Nature, desarrollando con éxito una clase de nanomateriales dopados con elementos lantánidos que poseen una no linealidad óptica superior a 500. Este resultado establece un nuevo estándar para la investigación del efecto de avalancha fotónica. Diagrama esquemático del mecanismo de avalancha fotónica en nanocristales dopados con elementos lantánidos. El proceso incluye absorción desde el estado fundamental (GSA), absorción desde el estado excitado (ESA) y relajación cruzada (CR).

La avalancha fotónica es un fenómeno fotofísico raro, caracterizado por un aumento exponencial en la intensidad de la luz emitida cuando la intensidad de excitación supera el umbral crítico. El equipo de investigación introdujo distorsiones locales en el campo cristalino en nanocristales dopados con elementos lantánidos, mejorando significativamente la eficiencia de transferencia de energía entre iones de terbio y elevando drásticamente la respuesta de no linealidad óptica del material. Los datos experimentales muestran que la no linealidad de nanocristales de 27 nm supera 150, mientras que los nanodiscos de 170 nm alcanzan más de 500.

El profesor Xiaogang Liu indicó: "Al combinar el efecto de avalancha fotónica con un diseño preciso de nanomateriales, estamos redefiniendo los límites de la óptica no lineal." Este material exhibe excelentes características de amplificación óptica, convirtiendo pequeños cambios en la entrada de luz en variaciones drásticas en la intensidad de emisión, proporcionando nuevas posibilidades para detección ultrasensible.

El equipo de investigación logró con éxito la imagen de superresolución de un solo haz utilizando este material, con una resolución de 33 nm de ancho y 80 nm de profundidad, comparable a sistemas de microscopios complejos tradicionales. Además, el material muestra patrones de emisión no lineal diferenciados espacialmente dentro de un solo nanocristal, rompiendo las limitaciones del tamaño físico en la resolución de imagen.

Este resultado trae nuevos avances tecnológicos en campos como la imagen biomédica, la fotónica cuántica y el almacenamiento de datos. Los investigadores señalan que este esquema de imagen de superresolución económico y eficiente podría promover la popularización y aplicación de tecnologías de detección relacionadas. Esta investigación también establece una base de materiales para el desarrollo de dispositivos ópticos más sensibles y compactos.