Οι φυσικοί στο Ηνωμένο Βασίλειο έχουν σχεδιάσει ένα αυτοσυναρμολογούμενο φωτονικό σύστημα, το οποίο μπορεί να προσαρμόσει ενεργά τις ακτίνες λέιζερ που παράγει ως απόκριση στον μεταβαλλόμενο φωτισμό. Η ομάδα, με επικεφαλής τον Riccardo Sapienza στο Imperial College του Λονδίνου και Τζόρτζιο Βόλπε στο University College του Λονδίνου, στήριξαν το σχέδιό τους γύρω από ένα σύστημα αιωρούμενων μικροσωματιδίων, τα οποία σχημάτιζαν πυκνά σμήνη όταν το μείγμα φωτιζόταν.
Πολλά συστήματα στη φύση μπορούν να αξιοποιήσουν την ενέργεια στο περιβάλλον τους για να σχηματίσουν συντονισμένες δομές και μοτίβα μέσα σε ομάδες μεμονωμένων στοιχείων. Αυτά κυμαίνονται από κοπάδια ψαριών, τα οποία αλλάζουν δυναμικά το σχήμα τους για να αποφύγουν τα αρπακτικά, μέχρι την αναδίπλωση των πρωτεϊνών ως απόκριση σε σωματικές λειτουργίες, όπως η σύσπαση των μυών.
Ένα εκτεταμένο πεδίο έρευνας είναι πλέον αφιερωμένο στην μίμηση αυτής της αυτοοργάνωσης σε τεχνητά υλικά, τα οποία μπορούν να προσαρμοστούν και να αναδιαμορφωθούν ως απάντηση στο μεταβαλλόμενο περιβάλλον τους. Σε αυτή την τελευταία έρευνα, που αναφέρεται στο Φυσική της Φύσης, Η ομάδα της Sapienza και της Volpe στόχευσαν να αναπαράγουν το αποτέλεσμα σε μια συσκευή λέιζερ, η οποία αλλάζει το φως που παράγει καθώς μεταβάλλεται το περιβάλλον της.
Για να το επιτύχουν αυτό, οι ερευνητές εκμεταλλεύτηκαν μια μοναδική κατηγορία υλικών που ονομάζονται κολλοειδή, στα οποία τα σωματίδια είναι διασκορπισμένα σε ένα υγρό. Δεδομένου ότι αυτά τα σωματίδια μπορούν εύκολα να συντεθούν με μεγέθη συγκρίσιμα με τα μήκη κύματος του ορατού φωτός, τα κολλοειδή χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως ως δομικά στοιχεία προηγμένων φωτονικών συσκευών - συμπεριλαμβανομένων των λέιζερ.
Όταν τα σωματίδια τους αιωρούνται σε διαλύματα βαφών λέιζερ, αυτά τα μείγματα μπορούν να διασκορπίσουν και να ενισχύσουν το φως που έχει παγιδευτεί μέσα τους, παράγοντας ακτίνες λέιζερ μέσω οπτικής άντλησης με άλλο λέιζερ υψηλής ενέργειας. Μέχρι στιγμής, ωστόσο, αυτά τα σχέδια περιλάμβαναν σε μεγάλο βαθμό στατικά κολλοειδή, των οποίων τα σωματίδια δεν μπορούν να επαναδιαμορφωθούν καθώς αλλάζει το περιβάλλον τους.
Στο πείραμά τους, οι Sapienza, Volpe και οι συνεργάτες τους εισήγαγαν ένα πιο προηγμένο κολλοειδές μείγμα, στο οποίο το διοξείδιο του τιτανίου (TiO2) τα σωματίδια εναιωρήθηκαν ομοιόμορφα σε ένα αιθανολικό διάλυμα βαφής λέιζερ που περιείχε επίσης σωματίδια Janus (τα οποία έχουν δύο διακριτές πλευρές με διαφορετικές φυσικές ιδιότητες). Η μία μισή από τις σφαιρικές επιφάνειες των σωματιδίων Janus έμεινε γυμνή, ενώ η άλλη επικαλύφθηκε με ένα λεπτό στρώμα άνθρακα, αλλοιώνοντας τις θερμικές του ιδιότητες.
Αυτό σήμαινε ότι όταν τα σωματίδια Janus φωτίστηκαν με ένα λέιζερ HeNe 632.8 nm, δημιούργησαν μια διαβάθμιση θερμοκρασίας μοριακής κλίμακας στο υγρό που τα περιβάλλει. Αυτό προκάλεσε το TiO2 σωματίδια στο κολλοειδές για να συγκεντρωθούν γύρω από το καυτό σωματίδιο Janus και να σχηματίσουν μια οπτική κοιλότητα. Μόλις τελειώσει ο φωτισμός, το σωματίδιο Janus ψύχεται και τα σωματίδια διασκορπίζονται πίσω στην αρχική, ομοιόμορφη διάταξη τους.
Το νέο λέιζερ ημιαγωγών παρέχει υψηλή ισχύ σε μία μόνο συχνότητα
Αυτή η μοναδική συμπεριφορά επέτρεψε στην Sapienza και την ομάδα του Volpe να ελέγξουν προσεκτικά τα μεγέθη και τις πυκνότητες του TiO τους2συστάδες. Μέσω της οπτικής άντλησης, έδειξαν ότι αρκετά πυκνά σμήνη θα μπορούσαν να παράγουν ένα έντονο λέιζερ, που εκτείνεται σε ένα στενό εύρος ορατών μηκών κύματος. Η διαδικασία ήταν επίσης πλήρως αναστρέψιμη, με το λέιζερ να μειώνεται και να διευρύνεται μόλις αφαιρεθεί ο φωτισμός.
Επιδεικνύοντας ένα σύστημα λέιζερ που μπορεί να ανταποκριθεί ενεργά στις αλλαγές του φωτισμού, οι ερευνητές ελπίζουν ότι τα αποτελέσματά τους θα μπορούσαν να εμπνεύσουν μια νέα γενιά αυτοσυναρμολογούμενων φωτονικών υλικών: κατάλληλα για εφαρμογές τόσο ευρείας εμβέλειας όπως η ανίχνευση, οι υπολογιστές με βάση το φως και οι έξυπνες οθόνες.
