通过镧掺杂纳米颗粒实现光子上转换对各种应用有重要意义，然而目前上转换纳米颗粒的发展受到镧系离子低量子效率和长辐射寿命的阻碍，限制了其在时变纳米光子学中的应用。
2024年11月14日，中国科学院福建物质结构研究所陈学元研究员、郑伟研究员、黄萍研究员、商晓颖副研究员团队在Nature Communications期刊发表题为“Ultrafast upconversion superfluorescence with a sub-2.5 ns lifetime at room temperature”的研究论文，团队成员周梦薇为论文第一作者，黄萍研究员、商晓颖副研究员、郑伟研究员、陈学元研究员为论文共同通讯作者。
该研究报道了室温下掺杂镧系纳米颗粒的超快上转换超荧光（UC-SF），其寿命低于亚2.5ns。在800 nm的fs脉冲激光激发下，在富Nd3+的纳米颗粒中获得了大量相关偶极子（N = 912），导致了集体相干发射，强度增加了两个数量级，辐射衰减率提高了三个数量级以上。此外，还证明通过控制激发功率和发射样品的长度，可以在μs到亚ns的范围内实现上转换发射的寿命操纵，并伴有典型的Burnham-Chiao振荡的超荧光特征。该研究发现可能有利于许多先进技术的应用，如量子计数和高速超分辨率生物成像。
DOI：10.1038/s41467-024-54314-x
该研究报道了在不使用等离子体纳米腔的情况下，用800 nm的fs脉冲激光在RT和自由空间中激发富Nd3+的NaYF4: x%Nd3+@NaYF4核壳上转换纳米颗粒（UCNPs）时产生的超快UC-SF效应。由于在fs脉冲激光激发的高辐射场下Nd3+的强耦合，实现了高达912个相干偶极子的耦合，使得Nd3+的辐射衰减率比普通UCL提高了3个数量级，同时还实现了前所未有的亚2.5ns的超短寿命。研究人员详细研究了激发功率、Nd3+浓度和发射样品长度对UC-SF及其动力学的影响。观察到SF的所有特征，包括随功率变化功率的累积和衰减时间、双光子UC发射的四阶功率依赖以及UC-SF振荡，为富Nd3+体系中UC-SF的存在提供了坚实的证据。通过UC-SF将Ln3+的辐射寿命从μs-ms尺度分解到亚ns尺度，为Ln3+发光在超快光学中的各种最新应用铺平了道路。
总之，该研究在富Nd3+的UCNPs中证明了寿命低于亚2.5ns的超快UC-SF。具体来说，在fs脉冲激光激发下，Nd3+的近距离产生了强偶极子-偶极子相关性，从而产生了创纪录的大量相干耦合偶极子（N = 912），并由此产生了超短寿命（亚2.5ns）的UC-SF，比正常UCL寿命（2.28 μs）短3个数量级。可操纵的Ln3+掺杂的UCNPs，从μs−ms尺度到亚ns尺度的巨相干性和超短寿命，代表了UCNPs发展的一个突破，因为它使人们能够在超快光子学中利用Ln3+的UCL，而这是人们长期以来一直追求的，但受到4f→4f禁戒跃迁的限制。对Ln3+的UC-SF的基本理解也为探索高效和超快的UC材料奠定了基础，这些材料可用于高速超分辨率生物成像、量子光学和固态单光子发射器等无数潜在应用。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
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