镧系元素掺杂的纳米粒子掀起了波澜——或者更确切地说，是一场雪崩——当时是博士的 Changwan Lee。哥伦比亚工程学院 Jim Schuck 实验室的学生，从伯克利实验室的分子铸造厂开发的超小晶体中引发了极端的发光连锁反应。那些相同的水晶眨眼又回来了，现在可以有意地和无限期地控制它们。

　　我们发现了第一个完全光稳定、完全光开关的纳米粒子——纳米探针设计的圣杯，”机械工程副教授舒克说。

　　这种独特的材料是在分子铸造厂的 Emory Chan 和 Bruce Cohen 的实验室、劳伦斯伯克利国家实验室以及韩国的国家实验室合成的。研究团队还包括 Yung Doug Suh 在蔚山国立科学技术研究院 (UNIST) 的实验室。

　　圣杯：一个简单、稳定的电灯开关

　　用于光学记忆、纳米图案和生物成像等应用的现有有机染料和荧光蛋白已取得多年突破（并于 2014 年获得诺贝尔化学奖），但这些分子的寿命有限。光照后，大多数会开始随机闪烁，最终会永久变暗，或“光漂白”。

　　相比之下，镧系元素掺杂的纳米粒子表现出显着的光稳定性。在他的实验室与他们一起工作超过 15 年的时间里，Schuck 指出他们从未见过一个人死去。直到 2018 年的某一天，Lee 和 Ph.D. 学生 Emma Xu 观察到一块水晶变暗，然后又重新亮起。Lee 深入研究文献，发现 30 年前就提到可以“光暗化”和“光亮化”的镧系元素光纤——这表明闪烁行为是可以控制的。

　　在今天发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，该团队就是这样做的。他们使用近红外光，在不同的周围环境和水环境中使纳米粒子变暗和变亮超过一千次，而没有任何退化迹象。

　　“我们可以用一种波长的光关闭这些不会发生光漂白的粒子，然后用另一种波长的光重新打开，只需使用普通激光器即可，”Lee 说。值得注意的是，近红外光可以以最小的散射或光毒性深入无机材料和生物组织。

　　奇怪的结果照亮了未来的应用

　　着眼于潜在的应用，该团队展示了如何使用这些粒子将图案写入和重写到 3D 基板上，这有朝一日可以改善高密度光学数据存储和计算机内存。

　　“这种不确定的双向光开关纳米晶体可以产生一种全光量子存储设备，用于存储量子计算机产生的大量数据——想想 CD-ROM 和 CD-RW，但更快、更精确，”Suh 说。

　　这些粒子还提供潜在的无限分辨率，这取决于超分辨率纳米显微镜下探针产生的光子数量。使用 Suh 实验室的设备，Lee 仅在几个小时内就达到了亚埃级精度。

　　该团队认为，在当前工作中观察到的光开关最终是由于原子晶体缺陷太小而无法用最先进的电子显微镜观察到的。这些缺陷会向上或向下移动粒子的雪崩阈值，并且可以通过不同波长的光进行切换，使信号变暗或变亮。

　　除了追求光存储、超分辨率显微镜、生物成像和生物传感方面的潜在应用外，该团队还在分子铸造厂使用纳米粒子合成机器人、先进的计算模型和机器学习来进一步改进当前的晶体，并探索它们是否可以合成具有类似光开关特性的其他种类的纳米粒子。

　　科恩说，整个研究令人惊讶。“自从我们 2009 年的论文以来，我们一直在说这类纳米粒子不会打开和关闭，但这正是我们在这里研究的内容。我们发现这些纳米粒子的其中一件事就是接受奇怪的结果。 “