Az Egyesült Királyság fizikusai egy önszerveződő fotonikus rendszert terveztek, amely képes aktívan adaptálni az általa előállított lézersugarat a változó megvilágításhoz. A csapat vezetésével Riccardo Sapienza az Imperial College Londonban és Giorgio Volpe a University College Londonban, tervezésüket egy lebegő mikrorészecskék rendszerére alapozták, amelyek sűrű klasztereket képeztek, amikor a keveréket megvilágították.
A természetben számos rendszer képes hasznosítani a környező környezet energiáját, hogy összehangolt struktúrákat és mintákat alakítson ki az egyes elemek csoportjain belül. Ezek a halrajoktól kezdve, amelyek dinamikusan változtatják alakjukat, hogy elkerüljék a ragadozókat, a testfunkciókra, például az izomösszehúzódásra reagáló fehérjék hajtogatásáig terjednek.
Jelenleg kiterjedt kutatási terület foglalkozik ennek az önszerveződésnek a mesterséges anyagokban történő emulálásával, amelyek képesek alkalmazkodni és újrakonfigurálni magukat a változó környezetükhöz. Ebben a legújabb kutatásban, amelyről beszámoltunk Természetfizika, A Sapienza és Volpe csapatának célja a hatás reprodukálása egy lézeres eszközben, amely megváltoztatja az általa termelt fényt a környezet változásával.
Ennek elérése érdekében a kutatók az anyagok egy egyedülálló osztályát, a kolloidokat használták ki, amelyekben a részecskék a folyadékban szétoszlanak. Mivel ezek a részecskék könnyen szintetizálhatók a látható fény hullámhosszával összemérhető méretben, a kolloidokat már széles körben használják a fejlett fotonikus eszközök – köztük a lézerek – építőköveiként.
Amikor a részecskéket lézerfesték-oldatokban szuszpendálják, ezek a keverékek szétszórhatják és felerősíthetik a bennük rekedt fényt, és egy másik nagy energiájú lézerrel optikai pumpálással lézersugarat hoznak létre. Ez idáig azonban ezek a tervek nagyrészt statikus kolloidokat tartalmaztak, amelyek részecskéi nem tudják újrakonfigurálni magukat, ahogy környezetük megváltozik.
Sapienza, Volpe és munkatársai kísérletükben egy fejlettebb kolloid keveréket vezettek be, amelyben titán-dioxid (TiO)2) a részecskéket egyenletesen szuszpendáltuk Janus-részecskéket is tartalmazó lézerfesték etanolos oldatában (amelynek két, eltérő fizikai tulajdonságú oldala van). A Janus részecskék gömbfelületének egyik felét csupaszra hagyták, a másikat vékony szénréteggel vonták be, ami megváltoztatta a termikus tulajdonságait.
Ez azt jelentette, hogy amikor a Janus részecskéket 632.8 nm-es HeNe lézerrel megvilágították, molekuláris méretű hőmérsékleti gradienst generáltak az őket körülvevő folyadékban. Ez okozta a TiO2 A kolloid részecskéi a forró Janus részecske köré csoportosulnak, és optikai üreget alkotnak. A megvilágítás végén a Janus részecske lehűl, és a részecskék visszaoszlanak eredeti, egységes elrendezésükbe.
Az új félvezető lézer nagy teljesítményt biztosít egyetlen frekvencián
Ez az egyedülálló viselkedés lehetővé tette a Sapienza és Volpe csapata számára, hogy gondosan ellenőrizzék TiO méretét és sűrűségét2klaszterek. Optikai pumpálással kimutatták, hogy a kellően sűrű klaszterek intenzív lézert képesek előállítani, amely a látható hullámhosszok szűk tartományát fedi le. A folyamat teljesen visszafordítható volt, a lézer elsötétült és kiszélesedett a megvilágítás eltávolítása után.
A megvilágítás változásaira aktívan reagálni képes lézerrendszer bemutatása során a kutatók azt remélik, hogy eredményeik inspirálhatják az önszerveződő fotonikus anyagok új generációját: olyan széles körű alkalmazásokhoz is alkalmasak, mint az érzékelés, a fényalapú számítástechnika és az intelligens kijelzők.
