祝贺！新加坡国立大学刘小钢团队发表《Nature》

6月18日，新加坡国立大学（NUS）刘小钢院士团队携手厦门大学梁亮亮教授团队，在国际顶尖期刊《Nature》发表重磅论文，报道了一种光学非线性响应超过500阶的稀土纳米材料。

这一成果刷新了光子雪崩非线性材料的纪录，让超灵敏、超高分辨率的成像技术从理论走向实际，有望广泛应用于医学诊断、传感器和量子光学等前沿领域。

教授团队介绍：NUS 刘小钢 & 厦门大学 梁亮亮

刘小钢（Xiaogang Liu）教授

新加坡国立大学化学系

刘小钢教授 来源：NUS官网

NUS 化学系资深教授，博士毕业于美国西北大学，并曾在麻省理工学院从事博士后研究。

研究方向涵盖稀土掺杂光学纳米材料、上转换发光、光子雪崩及生物光子学。

荣获 2016 年新加坡总统科学奖和 2024 年英国皇家化学学会百年奖。

梁亮亮（Liangliang Liang）教授

厦门大学灵活电子研究院

梁亮亮教授 来源：厦门大学官网

毕业于中科大，师从刘小钢教授博士后，现为厦门大学教授，专注于稀土光学纳米材料与光子雪崩效应研究。

曾参与发表多篇稀土纳米光子学领域的重要研究，特别是在增强非线性响应和结构调控方面积累了丰富经验。

光子雪崩：点亮纳米世界的“超级放大器”

光子雪崩（Photon Avalanche）是一种特殊的光学效应：

当一束激光照射到掺有稀土离子的纳米材料上，且光强稍微超过一定阈值时，材料内部的激发态粒子开始通过交叉弛豫等能量传递机制相互作用，形成一种正反馈循环。这个正反馈使得更多粒子被激发，导致发光强度像“雪崩”一样快速且剧烈地增长，从而展现出超灵敏的非线性光学行为。

稀土掺杂纳米晶中光子雪崩机制的示意图。该过程包括基态吸收（GSA）、激发态吸收（ESA）和交叉弛豫（CR）。ESA与CR之间的正反馈循环促使激发态粒子数量呈指数级增长，最终产生高度非线性的发射输出。来源：NUS news

凭借这一特性，光子雪崩在低成本超分辨成像、超灵敏光学传感和多物理场探测等应用中展现出巨大潜力。

然而，如何进一步提升这种非线性响应的阶数和响应速度，一直是科研人员面临的挑战。

为了解决这一难题，刘小钢院士团队通过精确调控纳米颗粒内部的晶格结构，诱导局部晶体场畸变，从而显著增强了交叉弛豫过程的效率，大幅提升了光学非线性响应，让材料“雪崩”更猛烈、更快速。

突破性成果：纳米材料的“非线性等级”飙升

成果发表页面 来源：Nature官网

这项研究中，刘小钢院士团队制备了直径仅27纳米的NaLuF4:Tm纳米颗粒，通过调控晶体内部的晶格畸变，显著提升了离子间的交叉弛豫效率，使得材料的光学非线性阶数从40跃升至156。

同时，他们还制造了更大尺寸（176纳米）的纳米盘，实现了突破500阶的非线性响应，刷新了全球纪录。

示意图展示了新开发的光子雪崩纳米晶所表现出的极高光学非线性及其在单束光激发下实现的超分辨成像效果。来源：Nature官网

这种超强的非线性响应意味着材料对光信号的放大效果极其敏感和迅速，响应时间缩短至仅8.5毫秒，比传统材料快了近70倍。

更令人惊喜的是，基于这些材料的单束激光扫描成像系统，达到了33纳米横向分辨率和80纳米轴向分辨率，实现了远场单光束超分辨成像的巨大飞跃。

深入揭秘：纳米颗粒里的“小宇宙”

研究团队在论文中首次发现：同一颗176 nm纳米盘，其中心区域对光的非线性响应远强于边缘。

这意味着，只有中心“爆发”出强信号，边缘几乎保持“沉默”。这种内部响应不均匀不只是巧合，而是源自晶格亚结构的重组，使得光子雪崩效应在不同区域展现不同的触发阈值和强度。

为什么这很重要？

成像尺寸小于物理尺寸：由于只有中心区域参与激光作用，成像信号聚焦得更“紧凑”，从而实现比纳米颗粒自身尺寸更高的成像分辨率。

突破传统探针极限：这种“区域响应差异策略”利用材料的内部分区特性，天然突破了传统成像中——探针尺寸就是极限分辨率的认知。

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