高能粒子对物质的轰击会导致光发射，这一过程称为闪烁；吸收高能粒子产生发光的材料叫闪烁体。闪烁体在医学成像、X 射线无损检测、电子显微镜和高能粒子探测器中有广泛的应用。
闪烁体已经使用了大约 70 年，但该领域的大部分研究都集中在开发产生更亮或更快光发射的新材料上。相反，美国麻省理工学院(MIT)的研究人员通过新方法将纳米光子学技术应用于现有材料。
研究人员发现在闪烁体表面构筑纳米阵列结构（即纳米光子闪烁体）至少能将其检测能力提高 10 倍，从而大大减少 X 射线成像所需的辐射量，实现更高精度或更快速度的检查。值得一提的是，这种方法理论上可以适用于任何现有的闪烁体材料。
相关研究题目为“A framework for scintillation in nanophotonics”，近日发表在 Science 期刊上。
图 1：用纳米光子闪烁体得到的 X 射线扫描成像结果
美国马萨诸塞州总医院神经放射科主任、哈佛医学院副教授 Rajiv Gupta（他本人与这项工作无关）评价道：“这项研究非常有意义。在价值 1000 亿美元的医用 X 射线行业中，几乎所有的探测器都能参考文中的方法得到改善。本工作将闪烁体的检测效率提高了 10 倍，更保守地看，假设改进只有 2 倍而不是 10 倍，也将是该领域的巨大变革。”
上述纳米光子闪烁体有两种制备方法：
二是把闪烁体负载到具有周期性纳米孔洞的其它材料上。
当图案阵列的周期与发射光波长尺度接近时（~500 nm），闪烁体材料的光学信号就会产生近 10 倍的增强（见图 2b）。
图 2：(a)纳米光子闪烁体增强的 X 射线成像装置示意图；右侧为带有周期性阵列的 YAG:Ce 闪烁体的 AFM 图像，标尺长度为 1 μm (b)闪烁信号增强结果
本工作的另一个亮点是发展了一种通用的理论框架，使得研究人员能够计算出任意构型的纳米光子结构所能产生的闪烁能级。闪烁过程本身涉及到一系列复杂的过程，对该过程进行准确描述是一件非常困难的事情。本文作者发展的理论框架将能量损耗动力学、电子跃迁动力学和纳米光子学等三个不同的物理因素融为一体（见图 3），实现了对后续实验结果的准确预测。
图 3：集能量损耗、电子跃迁动力学及纳米光子学于一体的闪烁理论框架；通过该理论框架可以对闪烁过程进行模拟、调控和优化
本工作中纳米光子闪烁体的发射强度表现出了近 10 倍的增强，但是其应用潜力并不止于此。MIT 的另一位研究团队（Marin Soljacic 课题组）表示，通过对纳米阵列的结构进行微调甚至可以将增强倍数提高到一百倍。这种方法可能会加速医学诊断 X 射线或 CT 扫描的改进，减少剂量（对患者的伤害更小）并提高图像质量。在其他应用中，例如用于质量控制的制造零件的 X 射线检测，新的闪烁体可以实现更高精度或更快速度的检测。此外，本工作发展的理论模型还可以应用到太阳能电池、LED 等领域中来，促进这些领域的快速、实质性发展。
Roques-Carmeset al.,Science375, 837 (2022)
https://doi.org/10.1126/science.abm9293
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