生きた細胞で機能する生体適合性の微細ナノレーザー

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(Tiny, biocompatible nanolaser could function inside living tissues)

2019/9/23 アメリカ合衆国ノースウェスタン大学

・ ノースウェスタン大学とコロンビア大学が、生きた細胞を損傷せずに機能する微細ナノレーザーを開発。
・ ほぼガラスでできた同ナノレーザーは、人間の毛髪の約 1/1000 である 50~150nm の薄さで、生体適合性を有する。長い光の波長で励起して短い光の波長を放出し、疾病のバイオマーカー検出や癲癇等の脳深部の神経疾患の治療での利用が期待できる。
・ バイオイメージングには、可視光線に比して細胞深部に届く長い光波長が必要とされるが、短い光波長の使用が適切な領域もある。今回、長い波長が届く深部へと可視レーザー光を効果的に届ける、光学的にクリーンなシステムを開発した。
・ 同ナノレーザーはまた、超高速・低電力エレクトロニクスに向けた量子回路やマイクロプロセッサのような極狭小な空間での作動も可能。
・ 微細ナノレーザーは効率性においてマイクロレーザーに劣り、励起には UV 光等の短い波長を必要とするが、微細ナノレーザーの使用が望まれる特殊な環境は、非効率的な作動に起因する余剰な熱や UV 光による損傷を受けやすい。
・ 今回、フォトン・アップコンバージョンを利用したナノレーザープラットフォームの実現により、この課題を解決。アップコンバージョンでは、低エネルギーの複数個の光子を吸収して 1 個の高エネルギー光子に変換する。
・ 生体に優しい低エネルギーの赤外光子を可視光レーザービームに変換し、低パワーで機能する、光の波長よりも垂直方向に顕著に微細なレーザーを実現。透過性だが肉眼では不可視の光で励起し、可視光子を放出する。・ 本研究は、米国立科学財団(NSF)、米国防総省(DOD)と米エネルギー省(DOE)の Vannevar Bush Faculty Fellowship が支援した。
URL: https://news.northwestern.edu/stories/2019/09/tiny-biocompatible-nanolaser-couldfunction-inside-living-tissues/

(関連情報)
Nature Materials 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Ultralow-threshold, continuous-wave upconverting lasing from subwavelength plasmons
URL: https://www.nature.com/articles/s41563-019-0482-5

<NEDO海外技術情報より>

Abstract

Miniaturized lasers are an emerging platform for generating coherent light for quantum photonics, in vivo cellular imaging, solid-state lighting and fast three-dimensional sensing in smartphones1,2,3. Continuous-wave lasing at room temperature is critical for integration with opto-electronic devices and optimal modulation of optical interactions4,5. Plasmonic nanocavities integrated with gain can generate coherent light at subwavelength scales6,7,8,9, beyond the diffraction limit that constrains mode volumes in dielectric cavities such as semiconducting nanowires10,11. However, insufficient gain with respect to losses and thermal instabilities in nanocavities has limited all nanoscale lasers to pulsed pump sources and/or low-temperature operation6,7,8,9,12,13,14,15. Here, we show continuous-wave upconverting lasing at room temperature with record-low thresholds and high photostability from subwavelength plasmons. We achieve selective, single-mode lasing from Yb3+/Er3+-co-doped upconverting nanoparticles conformally coated on Ag nanopillar arrays that support a single, sharp lattice plasmon cavity mode and greater than wavelength λ/20 field confinement in the vertical dimension. The intense electromagnetic near-fields localized in the vicinity of the nanopillars result in a threshold of 70 W cm−2, orders of magnitude lower than other small lasers. Our plasmon-nanoarray upconverting lasers provide directional, ultra-stable output at visible frequencies under near-infrared pumping, even after six hours of constant operation, which offers prospects in previously unrealizable applications of coherent nanoscale light.

References

1.Hill, M. T. & Gather, M. C. Advances in small lasers. Nat. Photon. 8, 908–918 (2014).

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