上转换光子雪崩（Photon Avalanche, PA）作为一种新兴的非线性光学现象，源于镧系离子掺杂体系中激发态粒子参与的能量正反馈循环，展现出远超传统上转换过程的超高阶非线性光学行为。近日，新加坡国立大学刘小钢院士团队联合厦门大学柔性电子（未来技术）研究院梁亮亮教授，通过精确调控稀土纳米颗粒内部的晶体结构，成功诱导局域晶体场畸变，进而显著增强了离子间的交叉弛豫过程。这一机制加速了雪崩反馈循环的建立与增强，将光子雪崩的非线性响应提升至500阶以上。相关研究成果发表于Nature。论文通讯作者为新加坡国立大学刘小钢院士、厦门大学梁亮亮教授；论文第一作者为新加坡国立大学博士后陈嘉烨，厦门大学博士生刘畅。
近年来，稀土掺杂的光子雪崩荧光凭借其独特的高阶非线性发光特性，吸引了全球研究者的关注。光子雪崩现象源自镧系离子掺杂体系中激发态粒子之间的能量正反馈循环，使得系统在极微弱的激发或环境扰动下，展现出指数级的发光强度突变。这一特性使其在低成本超分辨率成像、超灵敏光学传感、以及多物理场耦合探测等领域展现出巨大潜力。
光子雪崩的高阶非线性响应是多重物理过程协同作用的结果，涉及激发态和基态吸收、交叉弛豫、多声子弛豫等多种复杂机制。特别是交叉弛豫过程，它不仅在加速光子雪崩反馈循环的速度上起到了至关重要的作用，还可以有效维持激发态粒子的积累，强化正反馈循环，是光子雪崩效率和响应速度的关键因素。
晶体场调控是调节稀土离子局域对称性与能级耦合强度的重要手段，在低对称性和强晶体场畸变的环境下，镧系离子4f-4f跃迁的宇称禁戒被打破，跃迁概率显著提升，为调控光子雪崩荧光开辟了全新的路径。
图1. 通过亚晶格重构提升光子雪崩非线性。图片来源：Nature
首先，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，实现了对于光子雪崩荧光的智能采集与高效分析。进一步，通过精确调控纳米颗粒的内部晶格结构，该团队成功在雪崩离子网络中诱导了显著的晶体场畸变，这一畸变显著提升了离子间的交叉弛豫速率，进而加速了光子雪崩反馈循环的建立。这一策略使得27 nm的纳米颗粒的光学非线性响应从~40提升至156，响应时间也显著缩短至8.5毫秒，较传统核壳结构的纳米晶缩短近70倍，展现出优异的快速响应特性。
图2. 亚晶格重构诱导晶体场畸变的机理研究。图片来源：Nature
在单束连续波激光激发下，单颗粒纳米晶实现了横向33 nm、轴向80 nm的空间分辨率，成像信噪比大于20，定位精度高达0.36 nm，展示其在低成本超分辨成像领域的广阔应用潜力。此外，研究团队还通过扩展光子雪崩的正反馈网络，在直径为176 nm的纳米盘中实现了超过500阶的光学非线性，刷新了光子雪崩非线性材料的性能纪录。更为重要的是，研究团队首次揭示了光子雪崩在单个纳米粒子内部的区域响应差异：与中心区域相比，边缘区域的非线性阶数显著降低，激发阈值显著升高。这一现象表明，在纳米粒子内，能量传递与激发粒子的分布具有显著的空间差异，提供了全新的视角来理解光子雪崩的内部动力学。通过利用纳米粒子内部的响应差异，研究团队展示了“成像尺寸小于物理尺寸”的现象，这为打破传统成像技术中由探针尺寸所带来的分辨率瓶颈开辟了全新途径。
图3. 基于超高阶光学非线性的远场超分辨单颗粒成像。图片来源：Nature
图4. 单个光子雪崩纳米盘内观察区域分化效应。图片来源：Nature
