6月18日，新加坡國立大學（NUS）劉小鋼院士團隊攜手廈門大學梁亮亮教授團隊，在國際頂尖期刊《Nature》發表重磅論文，報道了一種光學非線性響應超過500階的稀土納米材料。
這一成果刷新了光子雪崩非線性材料的紀錄，讓超靈敏、超高解析度的成像技術從理論走向實際，有望廣泛應用於醫學診斷、傳感器和量子光學等前沿領域。
教授團隊介紹：NUS 劉小鋼 & 廈門大學 梁亮亮
劉小鋼（Xiaogang Liu）教授
新加坡國立大學化學系
劉小鋼教授 來源：NUS官網
NUS 化學系資深教授，博士畢業於美國西北大學，並曾在麻省理工學院從事博士後研究。
研究方向涵蓋稀土摻雜光學納米材料、上轉換髮光、光子雪崩及生物光子學。
榮獲 2016 年新加坡總統科學獎和 2024 年英國皇家化學學會百年獎。
梁亮亮（Liangliang Liang）教授
廈門大學靈活電子研究院
梁亮亮教授 來源：廈門大學官網
畢業於中科大，師從劉小鋼教授博士後，現為廈門大學教授，專注於稀土光學納米材料與光子雪崩效應研究。
曾參與發表多篇稀土納米光子學領域的重要研究，特別是在增強非線性響應和結構調控方面積累了豐富經驗。
光子雪崩：點亮納米世界的「超級放大器」
光子雪崩（Photon Avalanche）是一種特殊的光學效應：
當一束雷射照射到摻有稀土離子的納米材料上，且光強稍微超過一定閾值時，材料內部的激發態粒子開始通過交叉弛豫等能量傳遞機制相互作用，形成一種正反饋循環。這個正反饋使得更多粒子被激發，導致發光強度像「雪崩」一樣快速且劇烈地增長，從而展現出超靈敏的非線性光學行為。
稀土摻雜納米晶中光子雪崩機制的示意圖。該過程包括基態吸收（GSA）、激發態吸收（ESA）和交叉弛豫（CR）。ESA與CR之間的正反饋循環促使激發態粒子數量呈指數級增長，最終產生高度非線性的發射輸出。來源：NUS news
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潛力。
然而，如何進一步提升這種非線性響應的階數和響應速度，一直是科研人員面臨的挑戰。
為了解決這一難題，劉小鋼院士團隊通過精確調控納米顆粒內部的晶格結構，誘導局部晶體場畸變，從而顯著增強了交叉弛豫過程的效率，大幅提升了光學非線性響應，讓材料「雪崩」更猛烈、更快速。
突破性成果：納米材料的「非線性等級」飆升
成果發表頁面 來源：Nature官網
這項研究中，劉小鋼院士團隊製備了直徑僅27納米的NaLuF4:Tm納米顆粒，通過調控晶體內部的晶格畸變，顯著提升了離子間的交叉弛豫效率，使得材料的光學非線性階數從40躍升至156。
同時，他們還製造了更大尺寸（176納米）的納米盤，實現了突破500階的非線性響應，刷新了全球紀錄。
示意圖展示了新開發的光子雪崩納米晶所表現出的極高光學非線性及其在單束光激發下實現的超分辨成像效果。來源：Nature官網
這種超強的非線性響應意味著材料對光信號的放大效果極其敏感和迅速，響應時間縮短至僅8.5毫秒，比傳統材料快了近70倍。
更令人驚喜的是，基於這些材料的單束雷射掃描成像系統，達到了33納米橫向解析度和80納米軸向解析度，實現了遠場單光束超分辨成像的巨大飛躍。
深入揭秘：納米顆粒里的「小宇宙」
研究團隊在論文中首次發現：同一顆176 nm納米盤，其中心區域對光的非線性響應遠強於邊緣。
這意味著，只有中心「爆發」出強信號，邊緣幾乎保持「沉默」。這種內部響應不均勻不只是巧合，而是源自晶格亞結構的重組，使得光子雪崩效應在不同區域展現不同的觸發閾值和強度。
為什麼這很重要？
成像尺寸小於物理尺寸：由於只有中心區域參與雷射作用，成像信號聚焦得更「緊湊」，從而實現比納米顆粒自身尺寸更高的成像解析度。
突破傳統探針極限：這種「區域響應差異策略」利用材料的內部分區特性，天然突破了傳統成像中——探針尺寸就是極限解析度的認知。
理解核心效應機制：通過觀察不同區域誰「更敏感、起反應更快」，科學家能更深入理解雪崩過程中的能量傳遞機制，為設計更高效的納米光學材料提供思路。
總之，這不僅是成像技術上的一次升維，更是材料設計層面的新思路：主動利用納米顆粒的內部結構差異，讓它「自己聚光發亮」。
未來引領：光學成像新風口，開啟科技「超感官」時代
劉小鋼院士團隊的最新研究成果，不僅刷新了光子雪崩非線性材料的紀錄，更為未來科技的多個前沿領域鋪平了道路。
這項技術的突破，將推動超分辨成像和超靈敏光學傳感的發展，帶來低成本、高性能的醫學診斷工具、環境監測傳感器和量子光學器件。
未來畫卷里，我們或將見證：
智慧醫療診斷：藉助超高解析度和超靈敏傳感技術，實現「納米級」體內病灶定位，幫助醫生精準檢測癌症早期病變、神經元活動，遠比現有技術更快更準確。
環境監測黑科技：在科幻大片中常見的「隱形傳感網」，可通過這種材料打造的低成本便攜光學傳感器，實現空氣污染、毒氣泄漏的實時監測，保障城市安全與生態健康。
量子計算與通信：高階非線性效應為量子光子器件提供核心支撐，助力光子晶片內的光信號處理、量子加密與超高速通信，邁向真正的量子網際網路時代。
微型智能設備：納米材料結合微流控與人工智慧，誕生下一代智能光學探測儀器和可攜式顯微成像設備，廣泛應用於生物研究、材料科學及太空探索。
這不僅是材料科學的飛躍，更是人類用光「看見」微觀世界、洞悉未來的關鍵一步。科幻里的超分辨成像正在照進現實，NUS團隊正領跑這場視覺革命！
