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不管是生物传感还是光学计算在内的纳米领域，通过超荧光产生短暂而高强度的光脉冲可能是最佳选择。但是到目前为止，要想找到一种在可控温度下能够产生合适短脉冲的材料仍是一项挑战。
近日，来自美国的科研人员利用掺杂了钕离子的上转换纳米粒子成功克服了这个障碍。他们表示，无论是单个还是成群的纳米粒子，都可以在在较短波长下产生极短的光脉冲，重要的是在室温而不是在低温条件下 (Nat. Photon. doi:
图 掺有钕离子的上转换纳米粒子在室温下在非常短的时间内产生超荧光。
当随机取向的偶极子暴露于外部辐射并排列形成单一宏观实体时，就会发生超荧光。当这个实体回落到其基态时，它会发出一个既短暂又强烈的光脉冲——脉冲持续时间大致与对齐的偶极子的数量成反比，而峰值强度则与该数量的平方成正比。
超荧光在 1973 年首次被发现，但从那时起只在数量相当有限的材料中观察到过。为了避免偶极子失衡，这些材料通常需要被冷却到几十开尔文，以至于限制了其应用。相比之下，在室温能够产生超荧光的材料的用途则比较广泛，比如用于高速光学计算机中的晶体管。
由于镧系元素掺杂的上转换纳米粒子在近红外波长辐射下的激发光谱在可见光波段，表现出反斯托克斯位移，因此在成像和传感等应用中具有前景。然而，这些材料通常会产生持续数百微秒的光脉冲，在走向实际化方面是一个不小的挑战。
在最新的研究中，北卡罗来纳州立大学与马萨诸塞大学联合研究团队的 Shuang Fang Lim 、Gang Han 及其同事一起制造并测试了含有 Nd3+ 的上转换纳米粒子。与用于产生超荧光的其他类型的纳米材料（例如钙钛矿纳米晶体或半导体量子点，它们以纳米粒子尺度发射）相比，这种材料通过将单个离子耦合到一个纳米粒子中，产生非常接近的相干性，由此可以在室温下实现上转换辐射。
研究人员通过将含有 Nd3+ 的上转换纳米粒子暴露在波长 800 nm 光照下，能够在可见光范围产生持续时间仅为 46 ns 的光脉冲，大概只有掺镱的上转换纳米粒子的寿命的10,000 分之一。他们表示，该材料不需要特定的处理或操作条件，这使得它能够摆脱限制，适用于多种应用场景，并丰富功能性。
Lim、Han 及其同事认为，通过控制钕掺杂剂的浓度和纳米晶体结构，有望开发出更快的上转换超荧光材料，可应用于超快生物传感、高速光学晶体管和安全通信等领域。但在这之前，研究人员表示他们需要更好地控制高温下的偶极子同步。
