Ühendkuningriigi füüsikud on välja töötanud isekoosneva fotoonilise süsteemi, mis suudab selle tekitatavaid laserkiire aktiivselt kohandada vastavalt muutuvale valgustusele. Meeskond eesotsas Riccardo Sapienza Londoni Imperial College'is ja Giorgio Volpe Londoni ülikooli kolledžis põhinesid oma disainil hõljuvate mikroosakeste süsteem, mis moodustasid segu valgustamisel tihedad klastrid.
Paljud looduses olevad süsteemid saavad kasutada ümbritseva keskkonna energiat, et moodustada üksikute elementide rühmades koordineeritud struktuure ja mustreid. Need ulatuvad kalaparvedest, mis muudavad dünaamiliselt oma kuju, et vältida röövloomi, kuni valkude voltimiseni vastusena keha funktsioonidele, näiteks lihaste kokkutõmbumisele.
Laiaulatuslik uurimisvaldkond on nüüd pühendatud selle iseorganiseerumise jäljendamisele tehismaterjalides, mis võivad end kohaneda ja ümber seadistada vastavalt muutuvale keskkonnale. Selles viimases uuringus, millest teatati Loodusfüüsika, Sapienza ja Volpe meeskonna eesmärk oli reprodutseerida efekt laserseadmes, mis muudab selle tekitatavat valgust, kui keskkond muutub.
Selle saavutamiseks kasutasid teadlased ainulaadset materjalide klassi, mida nimetatakse kolloidideks, milles osakesed on vedelikus hajutatud. Kuna neid osakesi saab hõlpsasti sünteesida nähtava valguse lainepikkustega võrreldavate suurustega, kasutatakse kolloide juba laialdaselt arenenud fotooniliste seadmete, sealhulgas laserite, ehitusplokkidena.
Kui nende osakesed suspendeeritakse laservärvide lahustes, võivad need segud hajutada ja võimendada neisse lõksu jäänud valgust, tekitades optilise pumpamise teel laserkiire teise suure energiaga laseriga. Seni on need kujundused siiski suuresti hõlmanud staatilisi kolloide, mille osakesed ei saa end ümber seadistada, kui nende ümbrus muutub.
Sapienza, Volpe ja kolleegid tutvustasid oma katses täiustatud kolloidsegu, milles titaandioksiid (TiO2) osakesed suspendeeriti ühtlaselt laservärvi etanoolilahuses, mis sisaldas ka Januse osakesi (millel on kaks erinevat külge, millel on erinevad füüsikalised omadused). Üks pool Januse osakeste sfäärilistest pindadest jäeti paljaks, teine aga kaeti õhukese süsinikukihiga, muutes selle termilisi omadusi.
See tähendas, et kui Januse osakesi valgustati 632.8 nm HeNe laseriga, tekitasid nad neid ümbritsevas vedelikus molekulaarskaala temperatuurigradienti. See põhjustas TiO2 kolloidis olevad osakesed koonduvad kuuma Januse osakese ümber ja moodustavad optilise õõnsuse. Kui valgustus on lõppenud, Januse osake jahtub ja osakesed hajuvad tagasi oma algsesse ühtlasesse paigutusse.
Uus pooljuhtlaser annab suure võimsuse ühel sagedusel
See ainulaadne käitumine võimaldas Sapienza ja Volpe meeskonnal hoolikalt kontrollida oma TiO suurust ja tihedust2klastrid. Optilise pumpamise abil näitasid nad, et piisavalt tihedad klastrid võivad toota intensiivse laseri, mis hõlmab kitsast nähtavate lainepikkuste vahemikku. Protsess oli ka täielikult pöörduv, laser hämardus ja laienes pärast valgustuse eemaldamist.
Näidates lasersüsteemi, mis suudab aktiivselt reageerida valgustuse muutustele, loodavad teadlased, et nende tulemused võivad inspireerida uut põlvkonda isekoosnevaid fotoonmaterjale: sobivad nii laiaulatuslikeks rakendusteks nagu sensor, valguspõhine andmetöötlus ja nutikad kuvarid.
