I fisici nel Regno Unito hanno progettato un sistema fotonico autoassemblante, in grado di adattare attivamente i raggi laser che produce in risposta al cambiamento dell'illuminazione. La squadra, guidata da Riccardo Sapienza all'Imperial College di Londra e Giorgio Volpe presso l'University College London, hanno basato il loro progetto su un sistema di microparticelle sospese, che formavano densi ammassi quando la miscela veniva illuminata.
Molti sistemi in natura possono sfruttare l'energia nei loro ambienti circostanti per formare strutture e modelli coordinati all'interno di gruppi di singoli elementi. Questi vanno dai banchi di pesci, che cambiano dinamicamente la loro forma per eludere i predatori, al ripiegamento delle proteine in risposta alle funzioni corporee, come la contrazione muscolare.
Un ampio campo di ricerca è ora dedicato all'emulazione di questa autorganizzazione in materiali artificiali, che possono adattarsi e riconfigurarsi in risposta al cambiamento dell'ambiente circostante. In questa ultima ricerca, riportata in Fisica della natura, Il team di Sapienza e Volpe mirava a riprodurre l'effetto in un dispositivo laser, che cambia la luce che produce quando il suo ambiente viene alterato.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno sfruttato una classe unica di materiali chiamati colloidi, in cui le particelle sono disperse in un liquido. Poiché queste particelle possono essere facilmente sintetizzate con dimensioni paragonabili alle lunghezze d'onda della luce visibile, i colloidi sono già ampiamente utilizzati come elementi costitutivi di dispositivi fotonici avanzati, inclusi i laser.
Quando le loro particelle sono sospese in soluzioni di coloranti laser, queste miscele possono disperdere e amplificare la luce intrappolata al loro interno, producendo raggi laser attraverso il pompaggio ottico con un altro laser ad alta energia. Finora, tuttavia, questi progetti hanno in gran parte coinvolto colloidi statici, le cui particelle non possono riconfigurarsi quando l'ambiente circostante cambia.
Nel loro esperimento, Sapienza, Volpe e colleghi hanno introdotto una miscela colloidale più avanzata, in cui il biossido di titanio (TiO2) le particelle sono state uniformemente sospese in una soluzione etanolica di colorante laser contenente anche particelle Janus (che hanno due lati distinti con proprietà fisiche differenti). Una metà delle superfici sferiche delle particelle di Giano è stata lasciata nuda, mentre l'altra è stata ricoperta da un sottile strato di carbonio, alterandone le proprietà termiche.
Ciò significava che quando le particelle di Janus sono state illuminate con un laser HeNe da 632.8 nm, hanno generato un gradiente di temperatura su scala molecolare nel liquido che le circonda. Ciò ha causato il TiO2 particelle nel colloide per raggrupparsi attorno alla particella calda Janus e formare una cavità ottica. Una volta terminata l'illuminazione, la particella Janus si raffredda e le particelle si disperdono nella loro disposizione originale e uniforme.
Il nuovo laser a semiconduttore fornisce un'elevata potenza a una singola frequenza
Questo comportamento unico ha permesso al team di Sapienza e Volpe di controllare attentamente le dimensioni e la densità del loro TiO2grappoli. Attraverso il pompaggio ottico, hanno dimostrato che ammassi sufficientemente densi potrebbero produrre un laser intenso, che copre una gamma ristretta di lunghezze d'onda visibili. Il processo era anche completamente reversibile, con l'attenuazione e l'allargamento del laser una volta rimossa l'illuminazione.
Nel dimostrare un sistema laser in grado di rispondere attivamente ai cambiamenti nell'illuminazione, i ricercatori sperano che i loro risultati possano ispirare una nuova generazione di materiali fotonici autoassemblanti: adatti per applicazioni ad ampio raggio come rilevamento, informatica basata sulla luce e display intelligenti.
