本報訊（記者溫才妃）廈門大學柔性電子（未來科技）研究院教授梁亮亮團隊聯合新加坡國立大學教授劉小鋼團隊，在鑭系元素摻雜光子雪崩上轉換納米晶研究中取得進展。相關研究成果6月18日發表於《自然》。
光子雪崩是鑭系摻雜資料中的一種獨特光學非線性現象，能量正回饋迴圈過程使其發光強度與泵浦功率表現出極其陡峭的幂律關係，使得極微弱的泵浦擾動或環境變化也能誘發發光強度的顯著突變。憑藉這一特性，光子雪崩在低成本超分辨成像、超靈敏光學傳感和多物理場探測等應用中展現出巨大潜力。
研究團隊搭建了適用於光子雪崩效應研究的高性能測試平臺，採用高度集成的自動化架構，涵蓋基於伺服電機的精密雷射功率控制、三維壓電位移臺定位、基於門控單光子探測的高時間精度螢光訊號採集等多個模塊，實現了對非線性光學響應的高效可靠採集與分析。通過調控納米晶內部的晶格結構，研究人員在雪崩離子網絡中誘導出晶體場畸變，從而顯著提升離子間的交叉弛豫速率，實現了超過500階的光學非線性響應，重繪了光子雪崩資料的效能紀錄，標志著非線性光學資料設計進入以晶體結構工程為覈心的新階段。
研究結果表明，以離子半徑更小、原子質量更大的Lu3+離子替代Y3+離子，可有效調控晶體內空位與離子的排布傾向並引入局部晶體場畸變，從而有效加速光子雪崩過程中的交叉弛豫過程。該策略使得27納米顆粒的光學非線性提升至156，雪崩回應時間顯著縮短至8.5毫秒，縮短為傳統核殼結構納米晶的近1/70，展現出優异的快速回應特性。在單束連續波雷射掃描成像系統中，該資料實現了橫向33納米（約為波長的1/33）、軸向80納米（約為波長的1/13）的空間分辯率，成像信噪比大於20，定位精度高達0.36納米，展示出在低成本超分辨成像方面的應用潜力。
此外，研究團隊通過擴展光子雪崩正回饋網絡，在直徑為176納米的光子雪崩納米盤中實現了超過500階的光學非線性響應，並首次揭示了雷射掃描過程中光子雪崩效應在單個納米粒子內部的區域響應差异，實現了“成像尺寸小於物理尺寸”，有望突破傳統探針尺寸對分辯率的限制。