فیزیکدانان در بریتانیا یک سیستم فوتونیک خودسازماندهی طراحی کرده اند که می تواند به طور فعال پرتوهای لیزری را که در پاسخ به تغییر روشنایی تولید می کند، تطبیق دهد. تیم به رهبری ریکاردو ساپینزا در امپریال کالج لندن و جورجیو ولپه در دانشگاه کالج لندن، طراحی خود را بر اساس سیستمی از ریزذرات معلق انجام دادند، که در هنگام روشن شدن مخلوط، خوشه های متراکمی را تشکیل دادند.
بسیاری از سیستم‌های موجود در طبیعت می‌توانند انرژی را در محیط اطراف خود به کار گیرند تا ساختارها و الگوهای هماهنگی را در گروه‌هایی از عناصر منفرد تشکیل دهند. اینها از دسته ماهی ها که به صورت پویا شکل خود را برای فرار از شکارچیان تغییر می دهند تا تاخوردگی پروتئین ها در پاسخ به عملکردهای بدن مانند انقباض ماهیچه ها را شامل می شود.
اکنون زمینه تحقیقات گسترده ای به تقلید از این خودسازماندهی در مواد مصنوعی اختصاص داده شده است که می توانند خود را در پاسخ به محیط در حال تغییر خود تطبیق داده و پیکربندی مجدد کنند. در این تحقیق اخیر، گزارش شده در فیزیک طبیعت, تیم Sapienza و Volpe قصد داشتند این اثر را در یک دستگاه لیزری بازتولید کنند که با تغییر محیط، نور تولید شده را تغییر می‌دهد.
برای دستیابی به این هدف، محققان از یک کلاس منحصر به فرد از مواد به نام کلوئیدها استفاده کردند که در آن ذرات در سراسر مایع پراکنده می شوند. از آنجایی که این ذرات را می توان به راحتی با اندازه های قابل مقایسه با طول موج های نور مرئی سنتز کرد، کلوئیدها در حال حاضر به طور گسترده به عنوان بلوک های سازنده دستگاه های فوتونیکی پیشرفته - از جمله لیزرها - استفاده می شوند.
هنگامی که ذرات آنها در محلول‌های رنگ‌های لیزری معلق می‌شوند، این مخلوط‌ها می‌توانند نور محبوس شده در آنها را پراکنده و تقویت کنند و از طریق پمپاژ نوری با لیزر پرانرژی دیگر پرتوهای لیزری تولید کنند. با این حال، تا کنون، این طرح‌ها عمدتاً شامل کلوئیدهای ساکن بوده‌اند، که ذرات آنها نمی‌توانند با تغییر محیط اطراف خود را دوباره پیکربندی کنند.
در آزمایش خود، Sapienza، Volpe و همکارانش مخلوط کلوئیدی پیشرفته تری را معرفی کردند که در آن دی اکسید تیتانیوم (TiO)2ذرات به طور مساوی در محلول اتانولی رنگ لیزری حاوی ذرات ژانوس (که دو طرف مجزا با خواص فیزیکی متفاوت دارند) معلق شدند. نیمی از سطوح کروی ذرات ژانوس برهنه باقی ماند، در حالی که دیگری با لایه نازکی از کربن پوشانده شد و خواص حرارتی آن را تغییر داد.
این بدان معناست که وقتی ذرات Janus با لیزر 632.8 نانومتری HeNe روشن شدند، یک گرادیان دمایی در مقیاس مولکولی در مایع اطراف خود ایجاد کردند. این باعث TiO شد2 ذرات موجود در کلوئید خود را در اطراف ذره داغ ژانوس خوشه می کنند و یک حفره نوری تشکیل می دهند. پس از پایان روشنایی، ذره ژانوس سرد می شود و ذرات به ترتیب اولیه و یکنواخت خود پراکنده می شوند.
لیزر نیمه هادی جدید قدرت بالایی را در یک فرکانس ارائه می دهد
این رفتار منحصر به فرد به تیم Sapienza و Volpe اجازه داد تا اندازه و چگالی TiO خود را به دقت کنترل کنند.2خوشه ها از طریق پمپاژ نوری، آنها نشان دادند که خوشه های به اندازه کافی متراکم می توانند یک لیزر شدید تولید کنند که محدوده باریکی از طول موج های مرئی را در بر می گیرد. این فرآیند همچنین کاملاً برگشت پذیر بود، با کاهش نور و گسترش لیزر پس از حذف نور.
در نشان دادن یک سیستم لیزری که می تواند به طور فعال به تغییرات روشنایی پاسخ دهد، محققان امیدوارند که نتایج آنها بتواند الهام بخش نسل جدیدی از مواد فوتونیک خودسازماندهی باشد: مناسب برای کاربردهای وسیعی مانند سنجش، محاسبات مبتنی بر نور و نمایشگرهای هوشمند.
