Development of time-resolved fluorescence spectroscopy using heralded emission spectroscopy for organic light-emitting materials
Questo articolo dimostra che la spettroscopia di fluorescenza risolta nel tempo mediante coppie di fotoni annunciati e a entanglement di frequenza migliora significativamente i rapporti segnale-rumore e sopprime le interferenze di fondo per vari materiali organici emettitori di luce rispetto all'eccitazione classica con laser a impulsi, consentendo misurazioni precise dei tempi di vita a basse intensità di eccitazione.
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La luce è molto più di un semplice strumento per vedere; per gli scienziati che studiano i materiali che alimentano i nostri schermi, i sensori medici e le celle solari, la luce è un modo per porre domande su come la materia si comporta. Quando una molecola assorbe un fotone, compie un salto in uno stato eccitato, un breve momento di alta energia prima di tornare a scendere e rilasciare quell'energia sotto forma di luce. Il tempo necessario per compiere quel viaggio di ritorno è chiamato tempo di vita della fluorescenza, e agisce come un'impronta digitale dell'ambiente della molecola. Misurare questa durata con estrema precisione aiuta i ricercatori a capire quanto sia efficiente un materiale o come possa degradarsi. Tuttavia, ottenere un'immagine chiara di questo momento fugace è notoriamente difficile. In molti casi, il segnale viene sommerso dal rumore di fondo, dalla luce diffusa o dal fatto stesso di illuminare il campione con una luce intensa che lo danneggia, un problema noto come fotodegradazione (photobleaching). Gli scienziati cercano da tempo un modo per sondare questi sistemi delicati con un tocco più gentile, uno che eviti il rumore e il danno causati dall'illuminazione intensa.
Un team di ricercatori ha ora dimostrato un nuovo modo per misurare questi tempi di vita utilizzando una tecnica radicata nella meccanica quantistica, specificamente una che si basa su coppie di particelle di luce intrinsecamente legate. Nel loro studio, hanno generato coppie di fotoni intrecciati, ovvero due particelle di luce create insieme in modo che le loro proprietà siano perfettamente correlate. Hanno utilizzato un laser per creare queste coppie e poi le hanno separate. Una particella, chiamata "idler" (fotone idler), è stata inviata direttamente a un rilevatore per fungere da "precursore" (herald), ovvero un segnale che il suo partner, il fotone "signal", è in arrivo. Il fotone signal è stato poi diretto verso un campione di materiale organico a emissione luminosa. Poiché i due fotoni sono legati, il momento in cui l'idler viene rilevato dice esattamente ai ricercatori quando il fotone signal ha colpito il campione. Questa temporizzazione permette di avviare un cronometro. Quando il campione infine brilla in risposta, quel bagliore ferma il cronometro. Ripetendo questo processo milioni di volte, possono costruire una mappa precisa di quanto tempo le molecole rimangano eccitate.
I ricercatori hanno testato questo metodo su tre tipi molto diversi di materiali organici: un comune colorante fluorescente noto come Rodamina 6G, un polimero simile alla plastica chiamato MEH-PPV usato nell'elettronica organica e una proteina fluorescente chiamata mOrange presente nei sistemi biologici. Hanno confrontato il loro approccio quantistico con il metodo standard, che utilizza un laser pulsato convenzionale per eccitare i campioni. Per garantire un confronto equo, hanno regolato la potenza del laser standard in modo che il numero di particelle di luce che colpivano il campione corrispondesse al numero utilizzato nell'esperimento quantistico. I risultati hanno mostrato che il metodo quantistico era significativamente migliore nel filtrare il rumore. Poiché il sistema registrava un bagliore solo se era perfettamente sincronizzato con il segnale precursore, esso ignorava efficacementamente tutta la luce di fondo casuale e non correlata che tipicamente affligge queste misurazioni.
Per il polimero MEH-PPV, il miglioramento è stato particolarmente sorprendente. Il metodo quantistico ha ridotto il rumore nella misurazione a meno della metà di quanto prodotto dal metodo laser standard, anche quando entrambi utilizzavano lo stesso numero di fotoni per eccitare il campione. Ciò significava che i ricercatori potevano determinare il tempo di vita dello stato eccitato con molta più fiducia e in meno tempo. Per gli altri materiali, l'approccio quantistico ha fornito un segnale più chiaro, migliorando la qualità dei dati di un fattore di circa 1,6 - 3,0 volte rispetto al metodo classico. Fondamentalmente, poiché il metodo quantistico lavora con livelli di luce molto bassi, evita l'illuminazione intensa che può alterare il comportamento delle molecole o danneggiare campioni biologici sensibili. I tempi di vita misurati corrispondevano bene ai valori stabiliti in studi precedenti, confermando che la nuova tecnica non è solo più pulita ma anche accurata.
Questo lavoro suggerisce che, utilizzando le proprietà uniche della luce intrecciata, gli scienziati possono osservare la dinamica fondamentale dei materiali organici senza l'interferenza che solitamente deriva dalla luce ad alta intensità. La capacità di sopprimere il rumore di fondo attraverso il gating di coincidenza — dove vengono contati solo gli eventi accoppiati — apre la porta allo studio di materiali troppo fragili per i metodi tradizionali. Che si tratti di un sottile film in una cella solare o di una proteina all'interno di una cellula vivente, questo approccio permette ai ricercatori di vedere il vero comportamento del materiale così come esiste in natura, libero dalle distorsioni causate dallo strumento di misura stesso. I risultati indicano che questa spettroscopia potenziata quantisticamente è una via percorribile per comprendere i processi complessi e rapidi che governano le prestazioni dei dispositivi optoelettronici di prossima generazione e l'imaging biologico.
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