光学材料领域重大突破|新国大苏研院刘小钢团队在《自然》发表科研成果

近日，新加坡国立大学苏州研究院（以下简称“新国大苏研院”）生物医疗与健康科技创新平台首席研究员刘小钢及团队成员在光学材料领域取得了重大突破,最新研究成果在国际学术期刊《自然》（Nature）上发表。研究团队成功开发出一种新型光子雪崩纳米晶材料，其光学非线性响应系数突破500，刷新了光子雪崩材料的性能纪录，并为超分辨率成像、超灵敏传感及量子光子学等前沿领域的应用奠定了重要基础。

研究背景

光子雪崩效应是一种罕见且强大的光物理现象，其独特之处在于对光激发表现出非线性响应。在传统荧光中，发射光的强度通常与激发光强度成正比，呈现线性输入输出关系。而在光子雪崩系统中，一旦激发光强超过某个临界值，即使激发强度仅有微小增加，发射强度也会出现骤然、指数级的跃升。这种行为类似于连锁反应般的“雪崩”效应，由材料内部的能量转移过程驱动，能迅速放大光输出。因此，光子雪崩材料能将微小的光输入变化转化为强烈的发光响应，非常适用于超灵敏检测与先进成像技术。

研究结果

研究团队通过对纳米晶体进行精密结构设计，在晶格内部引入局部畸变，极大地增强了光子雪崩材料的非线性特性。研究结果表明，以掺杂铥离子的氟化物纳米晶体为基质材料，逐步用镥离子（Lu³⁺）替代钇离子（Y³⁺），可有效调控晶体内空位与离子的排布倾向，并引入局部晶体场畸变，从而加速了交叉弛豫过程，使材料在实验中实现了超过500的光学非线性响应系数。更值得关注的是，该材料在单束连续波激光扫描成像系统中实现了横向33nm、轴向80nm的空间分辨率，充分展示了其在低成本超分辨成像中的应用潜力。

应用前景

这一研究成果为光学和生物医学领域带来了变革性的机遇，提供了一种低成本实现超分辨率成像的新途径，并可用于高灵敏度的化学和生物传感。此外，该研究在量子光子学中的应用前景同样广阔，可用于开发高性能的光学开关、集成光源，并通过控制发射的空间分布和强度，实现数据存储和加密等先进功能。

首席研究员刘小钢表示：“通过将光子雪崩效应与精确的纳米材料设计相结合，我们正在重新定义非线性光学的边界。这项工作为开发更快速、更紧凑、更灵敏的新一代光基技术奠定了基础。”