W nowym podejściu do scyntylacji, oprócz składu i właściwości samego materiału, naukowcy analizują jego otoczenie i sposób, w jaki oddziałuje on ze światłem. Dr Dominik Kowal i dr Michał Makowski z Grupy Badawczej Materiałów dla Fotoniki badają te zjawiska w nanoskali, na pograniczu fotoniki, plazmoniki i inżynierii materiałowej. Ich prace mogą otworzyć nowe możliwości projektowania bardziej wydajnych scyntylatorów o precyzyjnie kontrolowanych właściwościach.
Od składu materiału do projektowania jego otoczenia
Przez lata badania nad scyntylatorami skupiały się przede wszystkim na poszukiwaniu nowych składów chemicznych, metod syntezy i sposobów otrzymywania coraz lepszych kryształów – takich, które skutecznie pochłaniają promieniowanie jonizujące, a następnie szybko i intensywnie emitują światło. Jak tłumaczy dr Dominik Kowal, takie podejście ma jednak ograniczenia wynikające z właściwości samego materiału. Dlatego naukowcy, poszukując nowych sposobów na zwiększenie wydajności scyntylacji, coraz częściej skłaniają się ku nanoskali. To pozwala wyeksponować efekty kwantowe i oddziaływania światła z materią.
– To jest zupełnie nowa dziedzina nauki, która bierze się z fotoniki, z plazmoniki, ale jednocześnie zahacza gdzieś o fizykochemię tych materiałów – mówi dr Kowal.
Jednym z kluczowych kierunków jego badań jest kontrolowanie najbliższego otoczenia emitera. Ten sam nanoscyntylator może zachowywać się inaczej, gdy znajduje się sam, a inaczej, gdy zostanie umieszczony w pobliżu odpowiednio zaprojektowanych nanostruktur plazmonicznych. Zmianie mogą ulegać m.in. szybkość i intensywność jego emisji. Szczególne możliwości pojawiają się w nanoskali. Gdy emiter ma rozmiary kilku nanometrów, zaczynają ujawniać się efekty kwantowe, a jego właściwości mogą znacząco różnić się od właściwości dużego kryształu.
– W nanoskali ważne jest także odpowiednie dopasowanie rozmiarów poszczególnych elementów – to wzmacnia ich wzajemne oddziaływanie – podsumowuje badacz.
Nanostruktury i oddziaływanie światła z materią
Takie podejście rozwija w swoich eksperymentach dr Michał Makowski. We wcześniejszych badaniach zespół pokazał, że połączenie nanoscyntylatora ze srebrnymi nanokostkami pozwala wpływać na jego emisję. Kolejnym krokiem było sprawdzenie, czy ten efekt można jeszcze wzmocnić. Badacze zmieniali wielkość srebrnych nanokostek, a jednocześnie zastosowali inny rodzaj emitera – taki, którego emisja jest silniej ukierunkowana. Celem było więc nie tylko zwiększenie ilości emitowanego światła, ale także lepsza kontrola sposobu jego emisji. W efekcie udało się przejść od słabego do silnego sprzężenia światła z materią.
– Efekt Purcella to obszar słabego sprzężenia światła z materią. Można powiedzieć, że emiter i nanocząstka „widzą się” nawzajem, ale są jak dwie osoby siedzące po przeciwnych stronach stołu – mogą sobie pomachać. Jeśli jednak odpowiednio zmodyfikujemy emiter i nanocząstkę, ten stół zaczyna się zmniejszać. W pewnym momencie możemy już sobie podać rękę. Wtedy przechodzimy do obszaru silnego sprzężenia światła z materią – obrazowo wyjaśnia dr Michał Makowski.
W przypadku silnego sprzężenia sytuacja zmienia się jakościowo. Nie chodzi już jedynie o szybszą lub bardziej intensywną emisję. Powstają nowe, hybrydowe stany – polarytony – a zmianie ulega również widmo emitowanego światła. Daje to badaczom dodatkową możliwość sterowania właściwościami układu. Kształtowanie charakterystyki widmowej emisji może w przyszłości pomóc np. w lepszym dopasowaniu scyntylatora do konkretnego detektora, którego czułość zależy od długości fali światła.
Silne sprzężenie światła z materią w scyntylatorach
Szczególne znaczenie ma fakt, że efekt udało się uzyskać przy wzbudzeniu promieniowaniem wysokoenergetycznym. Jak podkreśla dr Michał Makowski, jest to pierwsza taka obserwacja. Jednocześnie pojawia się pytanie, czy mechanizm silnego sprzężenia przebiega w tym przypadku tak samo jak przy klasycznym wzbudzeniu optycznym. Na tym etapie zespół nie ma jeszcze wystarczających danych, by to rozstrzygnąć. To właśnie staje się jednym z kolejnych wyzwań badawczych i kierunków dalszych prac.
– To może sygnalizować, że dotykamy tutaj pewnej nowej gałęzi fizyki – mówi dr Makowski.
Nowe możliwości w obrazowaniu i detekcji promieniowania
Badania mają również potencjał aplikacyjny. Jednym z możliwych kierunków jest rozwój systemów obrazowania wykorzystujących promieniowanie wysokoenergetyczne. Bardziej wydajne i szybsze scyntylatory mogą w przyszłości umożliwić uzyskiwanie bardziej szczegółowych obrazów w tomografii PET czy diagnostyce rentgenowskiej. Zwiększenie czułości detekcji może także pozwolić na uzyskanie użytecznego obrazu przy mniejszej dawce promieniowania.
Inne możliwości wynikają z kontrolowania widma i czasu zaniku emisji. Nie wszystkie zastosowania obserwowanych dziś efektów są jeszcze znane, ale możliwość sterowania kolejnymi parametrami scyntylacji otwiera drogę do rozwoju nowych typów detektorów, metod obrazowania i technologii wykorzystujących promieniowanie wysokoenergetyczne.
Nanofotonika w Łukasiewicz – PORT
Tego typu badania łączą kompetencje z zakresu chemii, inżynierii materiałowej, nanotechnologii i fotoniki. We wrocławskim instytucie naukowcy z Grupy Badawczej Materiałów dla Fotoniki mogą m.in. otrzymywać nanocząstki metodami chemicznymi, łączyć je z nanoscyntylatorami w kompozyty i wytwarzać uporządkowane struktury z wykorzystaniem metod litograficznych. Wyniki swoich badań i związane z nimi kierunki rozwoju prezentują również w renomowanych czasopismach naukowych.
Dr Dominik Kowal, wspólnie z prof. Charlesem Roques-Carmesem z ISTA w Austrii i prof. Liang Jie Wongiem z NTU w Singapurze, przygotował artykuł przeglądowy „Quantum and Nanophotonic Perspectives on Light–Matter Interaction in Scintillation”, opublikowany w Energy Material Advances. Praca porządkuje aktualny stan wiedzy dotyczący wykorzystania zjawisk kwantowych i nanofotoniki w scyntylacji oraz wskazuje możliwe kierunki rozwoju tej dziedziny.
Dr Michał Makowski jest natomiast pierwszym autorem pracy „Strong Coupling in Bulk Nanoplasmonic Nanoplatelet Perovskite Scintillators”, opublikowanej w Advanced Materials. Autorzy przedstawiają w niej wyniki eksperymentalnych badań nad nanoplazmonicznymi scyntylatorami perowskitowymi i silnym sprzężeniem światła z materią.
Obie publikacje przedstawiają dwa uzupełniające się aspekty badań prowadzonych w Grupie Badawczej Materiałów dla Fotoniki: szerszą perspektywę rozwoju scyntylacji wykorzystującej zjawiska kwantowe i nanofotonikę oraz eksperymentalne poszukiwanie nowych sposobów sterowania oddziaływaniem światła z materią.
