上海
编辑丨王多鱼
排版丨水成文
光子雪崩是镧系掺杂材料中一种独特的光学非线性现象，能量正反馈循环过程使其发光强度与泵浦功率表现出极其陡峭的幂律关系，使得极微弱的泵浦扰动或环境变化，也能诱发发光强度的显著突变。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。
材料对刺激产生显著光学非线性响应的能力对于技术进步和创新至关重要。虽然非线性系数超过 60 的光子雪崩上转换纳米材料已被开发出来，但进一步提升仍具挑战性。
2025 年 6 月 18 日， 厦门大学柔性电子（未来技术）研究院梁亮亮教授团队联合新加坡国立大学刘小钢院士团队，在国际顶尖学术期刊Nature上发表了题为：Optical nonlinearities in excess of 500 through sublattice reconstruction 的研究论文。
该研究在镧系元素掺杂光子雪崩上转换纳米晶研究中取得重大进展，将光子雪崩非线性响应提升至 500 阶以上， 刷新了光子雪崩材料的性能纪录， 这一创新成果为超分辨显微成像、超高灵敏度传感、集成光学开关及红外量子计数等前沿应用开辟了新的技术路径。
在这项最新研究中，研究团队搭建了适用于光子雪崩效应研究的高性能测试平台，采用高度集成的自动化架构，涵盖基于伺服电机的精密激光功率控制、三维压电位移台定位、基于门控单光子探测的高时间精度荧光信号采集等多个模块，实现了对非线性光学响应的高效可靠采集与分析。研究团队提出一种通过亚晶格重构和雪崩网络扩展的方法，可将光子雪崩非线性响应提升至 500 阶以上，刷新了光子雪崩材料的性能纪录。该实验表明，基质材料中的镥取代会导致显著的局域晶体场畸变。此类畸变能够强化控制粒子数累积的关键过程——交叉弛豫作用。
通过该技术突破，光学非线性效应被显著增强，实现了基于单光束扫描显微镜的亚衍射极限成像，其横向分辨率达 33 纳米（约为激发波长 λExc 的 1/32），轴向分辨率达80纳米（约为 λExc 的 1/13）。尤为重要的是，该研究发现光子雪崩纳米晶体内部存在区域异质性，即在单个纳米颗粒水平上，不同位点展现出差异化的雪崩响应特性。这种空间异质性特征与极端光学非线性协同作用，使得使用常规设备即可实现突破物理尺寸极限的纳米发射体超分辨可视化观测。
总的来说，这些创新成果为超分辨显微成像、超高灵敏度传感、集成光学开关及红外量子计数等前沿应用开辟了新的技术路径。
厦门大学柔性电子（未来技术）研究院梁亮亮教授、新加坡国立大学刘小钢院士为论文共同通讯作者，新加坡国立大学博士后陈嘉烨、厦门大学博士研究生刘畅为论文共同第一作者。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09164-y
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