Des physiciens du Royaume-Uni ont conçu un système photonique auto-assemblé, capable d'adapter activement les faisceaux laser qu'il produit en réponse à un éclairage changeant. L'équipe, dirigée par Ricardo Sapienza à l'Imperial College de Londres et Giorgio Volpé à l'University College de Londres, ont basé leur conception sur un système de microparticules en suspension, qui formaient des amas denses lorsque le mélange était illuminé.
De nombreux systèmes dans la nature peuvent exploiter l'énergie de leur environnement environnant pour former des structures et des modèles coordonnés au sein de groupes d'éléments individuels. Celles-ci vont des bancs de poissons, qui changent dynamiquement de forme pour échapper aux prédateurs, au repliement des protéines en réponse aux fonctions corporelles, telles que la contraction musculaire.
Un vaste champ de recherche est désormais dédié à l'émulation de cette auto-organisation dans les matériaux artificiels, qui peuvent s'adapter et se reconfigurer en réponse à leur environnement changeant. Dans cette dernière recherche, rapportée dans Physique de la nature, L'équipe de Sapienza et Volpe visait à reproduire l'effet dans un dispositif laser, qui modifie la lumière qu'il produit à mesure que son environnement est modifié.
Pour y parvenir, les chercheurs ont exploité une classe unique de matériaux appelés colloïdes, dans lesquels les particules sont dispersées dans un liquide. Étant donné que ces particules peuvent être facilement synthétisées avec des tailles comparables aux longueurs d'onde de la lumière visible, les colloïdes sont déjà largement utilisés comme éléments de base des dispositifs photoniques avancés, y compris les lasers.
Lorsque leurs particules sont en suspension dans des solutions de colorants laser, ces mélanges peuvent diffuser et amplifier la lumière piégée à l'intérieur, produisant des faisceaux laser par pompage optique avec un autre laser à haute énergie. Jusqu'à présent, cependant, ces conceptions ont largement impliqué des colloïdes statiques, dont les particules ne peuvent pas se reconfigurer lorsque leur environnement change.
Dans leur expérience, Sapienza, Volpe et leurs collègues ont introduit un mélange colloïdal plus avancé, dans lequel le dioxyde de titane (TiO2) les particules ont été uniformément mises en suspension dans une solution d'éthanol de colorant laser contenant également des particules de Janus (qui ont deux côtés distincts avec des propriétés physiques différentes). Une moitié des surfaces sphériques des particules Janus a été laissée nue, tandis que l'autre a été recouverte d'une fine couche de carbone, altérant ses propriétés thermiques.
Cela signifiait que lorsque les particules Janus étaient illuminées avec un laser HeNe à 632.8 nm, elles généraient un gradient de température à l'échelle moléculaire dans le liquide qui les entourait. Cela a causé le TiO2 les particules du colloïde se regroupent autour de la particule Janus chaude et forment une cavité optique. Une fois l'illumination terminée, la particule Janus se refroidit et les particules se dispersent vers leurs arrangements originaux et uniformes.
Un nouveau laser à semi-conducteur fournit une puissance élevée à une seule fréquence
Ce comportement unique a permis à l'équipe de Sapienza et Volpe de contrôler soigneusement les tailles et les densités de leur TiO2groupes. Grâce au pompage optique, ils ont montré que des amas suffisamment denses pouvaient produire un laser intense, couvrant une gamme étroite de longueurs d'onde visibles. Le processus était également complètement réversible, le laser diminuant et s'élargissant une fois l'éclairage supprimé.
En démontrant un système laser capable de réagir activement aux changements d'éclairage, les chercheurs espèrent que leurs résultats pourraient inspirer une nouvelle génération de matériaux photoniques auto-assemblés : adaptés à des applications aussi vastes que la détection, l'informatique basée sur la lumière et les écrans intelligents.
