Physiker im Vereinigten Königreich haben ein selbstorganisierendes photonisches System entwickelt, das die von ihm erzeugten Laserstrahlen aktiv an wechselnde Beleuchtung anpassen kann. Das Team, angeführt von Riccardo Sapienza am Imperial College London und Giorgio Volpe am University College London, basierten ihr Design auf einem System suspendierter Mikropartikel, die dichte Cluster bildeten, wenn die Mischung beleuchtet wurde.
Viele Systeme in der Natur können die Energie ihrer Umgebung nutzen, um koordinierte Strukturen und Muster innerhalb von Gruppen einzelner Elemente zu bilden. Diese reichen von Fischschwärmen, die ihre Form dynamisch ändern, um Raubtieren auszuweichen, bis hin zur Faltung von Proteinen als Reaktion auf Körperfunktionen wie Muskelkontraktionen.
Ein umfangreiches Forschungsgebiet widmet sich nun der Nachahmung dieser Selbstorganisation in künstlichen Materialien, die sich an ihre sich verändernde Umgebung anpassen und neu konfigurieren können. In dieser neuesten Studie, berichtet in Naturphysik, Das Team von Sapienza und Volpe wollte den Effekt in einem Lasergerät reproduzieren, das das von ihm erzeugte Licht ändert, wenn sich seine Umgebung ändert.
Um dies zu erreichen, nutzten die Forscher eine einzigartige Klasse von Materialien namens Kolloide, in denen Partikel in einer Flüssigkeit dispergiert sind. Da diese Partikel leicht mit Größen synthetisiert werden können, die mit den Wellenlängen von sichtbarem Licht vergleichbar sind, werden Kolloide bereits häufig als Bausteine fortschrittlicher photonischer Geräte – einschließlich Laser – verwendet.
Wenn ihre Partikel in Lösungen von Laserfarbstoffen suspendiert werden, können diese Mischungen das darin eingeschlossene Licht streuen und verstärken und durch optisches Pumpen mit einem anderen Hochenergielaser Laserstrahlen erzeugen. Bisher handelt es sich bei diesen Entwürfen jedoch hauptsächlich um statische Kolloide, deren Partikel sich nicht neu konfigurieren können, wenn sich ihre Umgebung ändert.
In ihrem Experiment führten Sapienza, Volpe und Kollegen eine fortschrittlichere Kolloidmischung ein, in der Titandioxid (TiO2)-Partikel wurden gleichmäßig in einer Ethanollösung aus Laserfarbstoff suspendiert, die auch Janus-Partikel enthielt (die zwei unterschiedliche Seiten mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften haben). Eine Hälfte der sphärischen Oberflächen der Janus-Partikel blieb unbedeckt, während die andere mit einer dünnen Kohlenstoffschicht überzogen war, wodurch ihre thermischen Eigenschaften verändert wurden.
Dies bedeutete, dass die Janus-Partikel, wenn sie mit einem 632.8-nm-HeNe-Laser beleuchtet wurden, einen Temperaturgradienten im molekularen Maßstab in der sie umgebenden Flüssigkeit erzeugten. Dies verursachte das TiO2 Teilchen im Kolloid, um sich um das heiße Janus-Teilchen zu sammeln und einen optischen Hohlraum zu bilden. Sobald die Beleuchtung endet, kühlt das Janus-Partikel ab und die Partikel zerstreuen sich wieder in ihre ursprüngliche, gleichförmige Anordnung.
Neuer Halbleiterlaser liefert hohe Leistung bei einer einzigen Frequenz
Dieses einzigartige Verhalten ermöglichte es dem Team von Sapienza und Volpe, die Größe und Dichte ihres TiO sorgfältig zu kontrollieren2Cluster. Durch optisches Pumpen zeigten sie, dass ausreichend dichte Cluster einen intensiven Laser erzeugen können, der einen schmalen Bereich sichtbarer Wellenlängen abdeckt. Der Prozess war auch vollständig reversibel, wobei der Laser gedimmt und verbreitert wurde, sobald die Beleuchtung entfernt wurde.
Durch die Demonstration eines Lasersystems, das aktiv auf Änderungen der Beleuchtung reagieren kann, hoffen die Forscher, dass ihre Ergebnisse eine neue Generation von selbstorganisierenden photonischen Materialien inspirieren könnten: geeignet für so weitreichende Anwendungen wie Sensorik, lichtbasierte Computer und intelligente Displays.
