Físicos del Reino Unido han diseñado un sistema fotónico autoensamblado, que puede adaptar activamente los rayos láser que produce en respuesta a los cambios de iluminación. El equipo, dirigido por Ricardo Sapienza en el Imperial College de Londres y giorgio volpe en el University College London, basaron su diseño en un sistema de micropartículas suspendidas, que formaban grupos densos cuando se iluminaba la mezcla.
Muchos sistemas en la naturaleza pueden aprovechar la energía en sus entornos circundantes para formar estructuras y patrones coordinados dentro de grupos de elementos individuales. Estos van desde bancos de peces, que cambian dinámicamente su forma para evadir a los depredadores, hasta el plegamiento de proteínas en respuesta a funciones corporales, como la contracción muscular.
Un amplio campo de investigación ahora se dedica a emular esta autoorganización en materiales artificiales, que pueden adaptarse y reconfigurarse en respuesta a su entorno cambiante. En esta última investigación, publicada en Física de la naturaleza, El equipo de Sapienza y Volpe pretendía reproducir el efecto en un dispositivo láser, que cambia la luz que produce a medida que se altera su entorno.
Para lograr esto, los investigadores explotaron una clase única de materiales llamados coloides, en los que las partículas se dispersan en un líquido. Dado que estas partículas se pueden sintetizar fácilmente con tamaños comparables a las longitudes de onda de la luz visible, los coloides ya se utilizan ampliamente como componentes básicos de dispositivos fotónicos avanzados, incluidos los láseres.
Cuando sus partículas se suspenden en soluciones de colorantes láser, estas mezclas pueden dispersar y amplificar la luz atrapada dentro de ellas, produciendo rayos láser a través del bombeo óptico con otro láser de alta energía. Sin embargo, hasta ahora, estos diseños han involucrado en gran medida coloides estáticos, cuyas partículas no pueden reconfigurarse a sí mismas a medida que cambia su entorno.
En su experimento, Sapienza, Volpe y sus colegas introdujeron una mezcla coloidal más avanzada, en la que el dióxido de titanio (TiO2) las partículas se suspendieron uniformemente en una solución de etanol de tinte láser que también contenía partículas de Janus (que tienen dos lados distintos con diferentes propiedades físicas). La mitad de las superficies esféricas de las partículas de Janus quedó desnuda, mientras que la otra mitad se cubrió con una fina capa de carbono, alterando sus propiedades térmicas.
Esto significó que cuando las partículas de Janus se iluminaron con un láser HeNe de 632.8 nm, generaron un gradiente de temperatura a escala molecular en el líquido que las rodeaba. Esto provocó que el TiO2 partículas en el coloide para agruparse alrededor de la partícula caliente de Jano y formar una cavidad óptica. Una vez que finaliza la iluminación, la partícula de Janus se enfría y las partículas se dispersan de nuevo a su disposición original y uniforme.
El nuevo láser semiconductor ofrece alta potencia a una sola frecuencia
Este comportamiento único permitió al equipo de Sapienza y Volpe controlar cuidadosamente los tamaños y densidades de su TiO2racimos A través del bombeo óptico, demostraron que los cúmulos suficientemente densos podían producir un láser intenso, que abarcaba un rango estrecho de longitudes de onda visibles. El proceso también fue completamente reversible, con el láser atenuando y ampliando una vez que se eliminó la iluminación.
Al demostrar un sistema láser que puede responder activamente a los cambios en la iluminación, los investigadores esperan que sus resultados puedan inspirar una nueva generación de materiales fotónicos autoensamblables: adecuados para aplicaciones tan amplias como la detección, la computación basada en la luz y las pantallas inteligentes.
