Ison-Britannian fyysikot ovat suunnitelleet itsekokoonpanon fotonijärjestelmän, joka voi aktiivisesti mukauttaa tuottamiaan lasersäteitä vasteena muuttuvaan valaistukseen. Joukkue, jota johtaa Riccardo Sapienza Imperial Collegessa Lontoossa ja Giorgio Volpe University College Londonissa, perustivat suunnittelunsa suspendoituneiden mikrohiukkasten järjestelmään, jotka muodostivat tiheitä klustereita, kun seosta valaistiin.
Monet luonnossa olevat järjestelmät voivat valjastaa ympäröivän ympäristönsä energian muodostaakseen koordinoituja rakenteita ja kuvioita yksittäisten elementtien ryhmissä. Ne vaihtelevat kalaparvista, jotka muuttavat muotoaan dynaamisesti välttääkseen petoeläimiä, proteiinien laskostumiseen kehon toimintojen, kuten lihasten supistumisen, seurauksena.
Laaja tutkimuskenttä on nyt omistettu jäljittelemään tätä itseorganisaatiota keinotekoisissa materiaaleissa, jotka voivat mukautua ja konfiguroida itsensä uudelleen muuttuvan ympäristönsä mukaan. Tässä uusimmassa tutkimuksessa, joka on raportoitu Luontofysiikka, Sapienzan ja Volpen tiimin tavoitteena oli toistaa vaikutus laserlaitteessa, joka muuttaa sen tuottamaa valoa ympäristön muuttuessa.
Tämän saavuttamiseksi tutkijat käyttivät ainutlaatuista materiaaliluokkaa, nimeltään kolloideja, joissa hiukkaset ovat dispergoituneet läpi nesteen. Koska nämä hiukkaset voidaan helposti syntetisoida kooltaan verrattavissa näkyvän valon aallonpituuksiin, kolloideja käytetään jo laajalti kehittyneiden fotonisten laitteiden – mukaan lukien lasereiden – rakennuspalikoina.
Kun niiden hiukkaset suspendoidaan laserväriliuoksiin, nämä seokset voivat siroittaa ja vahvistaa niihin loukkuun jäävää valoa tuottaen lasersäteitä optisella pumppauksella toisella korkeaenergisella laserilla. Toistaiseksi näissä malleissa on kuitenkin ollut suurelta osin staattisia kolloideja, joiden hiukkaset eivät voi konfiguroida itseään uudelleen ympäristönsä muuttuessa.
Kokeessaan Sapienza, Volpe ja kollegat esittelivät edistyneemmän kolloidiseoksen, jossa titaanidioksidia (TiO)2) hiukkaset suspendoitiin tasaisesti laserväriaineen etanoliliuokseen, joka sisälsi myös Janus-hiukkasia (joilla on kaksi erillistä puolta, joilla on erilaiset fysikaaliset ominaisuudet). Puolet Janus-hiukkasten pallomaisista pinnoista jätettiin paljaaksi, kun taas toinen päällystettiin ohuella hiilikerroksella, mikä muutti sen lämpöominaisuuksia.
Tämä tarkoitti, että kun Janus-hiukkaset valaistiin 632.8 nm:n HeNe-laserilla, ne synnyttivät molekyyliskaalan lämpötilagradientin niitä ympäröivään nesteeseen. Tämä aiheutti TiO:n2 kolloidissa olevat hiukkaset ryhmittyvät kuuman Janus-hiukkasen ympärille ja muodostavat optisen ontelon. Kun valaistus päättyy, Janus-partikkeli jäähtyy ja hiukkaset hajoavat takaisin alkuperäisiin, yhtenäisiin järjestelyihinsä.
Uusi puolijohdelaser tuottaa suuren tehon yhdellä taajuudella
Tämän ainutlaatuisen käytöksen ansiosta Sapienzan ja Volpen tiimi pystyi valvomaan tarkasti TiO:n kokoa ja tiheyttä2klustereita. Optisella pumppauksella he osoittivat, että riittävän tiheät klusterit voivat tuottaa intensiivisen laserin, joka kattaa kapealla alueella näkyviä aallonpituuksia. Prosessi oli myös täysin palautuva, ja laser himmensi ja laajeni, kun valaistus oli poistettu.
Esitellessään laserjärjestelmää, joka pystyy aktiivisesti reagoimaan valaistuksen muutoksiin, tutkijat toivovat, että heidän tulokset voisivat inspiroida uuden sukupolven itsekokoontuvia fotonisia materiaaleja: soveltuvat niinkin laaja-alaisiin sovelluksiin kuin anturit, valopohjaiset laskentatavat ja älykkäät näytöt.
