פיזיקאים בבריטניה תכננו מערכת פוטונית בהרכבה עצמית, שיכולה להתאים באופן אקטיבי את קרני הלייזר שהיא מייצרת בתגובה לשינויי תאורה. הצוות, בראשות ריקרדו סאפיינזה באימפריאל קולג' בלונדון ו ג'ורג'יו וולפה באוניברסיטת קולג' בלונדון, ביססו את התכנון שלהם סביב מערכת של מיקרו-חלקיקים תלויים, שיצרו אשכולות צפופים כאשר התערובת הוארה.
מערכות רבות בטבע יכולות לרתום את האנרגיה בסביבותיהן הסובבות כדי ליצור מבנים ודפוסים מתואמים בתוך קבוצות של אלמנטים בודדים. אלה נעים בין להקות דגים, שמשנות באופן דינמי את צורתן כדי להתחמק מטורפים, ועד קיפול חלבונים בתגובה לתפקודים גופניים, כמו התכווצות שרירים.
תחום מחקר נרחב מוקדש כעת לחיקוי הארגון העצמי הזה בחומרים מלאכותיים, שיכולים להסתגל ולהגדיר את עצמם מחדש בתגובה לסביבתם המשתנה. במחקר האחרון הזה, שדווח ב פיזיקת טבע, הצוות של Sapienza ו-Volpe שאף לשחזר את האפקט במכשיר לייזר, אשר משנה את האור שהוא מייצר כאשר הסביבה שלו משתנה.
כדי להשיג זאת, החוקרים ניצלו מחלקה ייחודית של חומרים בשם קולואידים, שבהם חלקיקים מפוזרים בנוזל. מכיוון שניתן לסנתז בקלות חלקיקים אלה בגדלים דומים לאורכי הגל של האור הנראה, קולואידים כבר נמצאים בשימוש נרחב כאבני הבניין של מכשירים פוטוניים מתקדמים - כולל לייזרים.
כאשר החלקיקים שלהם תלויים בתמיסות של צבעי לייזר, תערובות אלו יכולות לפזר ולהגביר את האור הכלוא בתוכם, לייצר קרני לייזר באמצעות שאיבה אופטית עם לייזר אחר בעל אנרגיה גבוהה. אולם עד כה, התכנונים הללו כללו במידה רבה קולואידים סטטיים, שחלקיקיהם אינם יכולים להגדיר את עצמם מחדש כאשר הסביבה שלהם משתנה.
בניסוי שלהם, Sapienza, Volpe ועמיתיו הציגו תערובת קולואידית מתקדמת יותר, שבה טיטניום דו חמצני (TiO2) חלקיקים הושעו באופן שווה בתמיסת אתנול של צבע לייזר המכילה גם חלקיקי יאנוס (שיש להם שני צדדים נפרדים עם תכונות פיזיקליות שונות). חצי אחד מהמשטחים הכדוריים של חלקיקי יאנוס נותר חשוף, ואילו השני היה מצופה בשכבה דקה של פחמן, ששינה את התכונות התרמיות שלו.
משמעות הדבר היא שכאשר חלקיקי יאנוס היו מוארים בלייזר HeNe 632.8 ננומטר, הם יצרו שיפוע טמפרטורה בקנה מידה מולקולרי בנוזל המקיף אותם. זה גרם ל-TiO2 חלקיקים בקולואיד יתקבצו סביב חלקיק יאנוס החם ויצרו חלל אופטי. לאחר סיום ההארה, חלקיק יאנוס מתקרר והחלקיקים מתפזרים בחזרה לסידורים המקוריים והאחידים שלהם.
לייזר מוליכים למחצה חדש מספק הספק גבוה בתדר בודד
התנהגות ייחודית זו אפשרה ל-Sapienza ו-Volpe לשלוט בקפידה על הגדלים והצפיפות של ה-TiO שלהם2אשכולות. באמצעות שאיבה אופטית, הם הראו שצבירים צפופים מספיק יכולים לייצר לייזר אינטנסיבי, המשתרע על פני טווח צר של אורכי גל גלויים. התהליך היה גם הפיך לחלוטין, עם עמעום והרחבה בלייזר לאחר הסרת התאורה.
בהדגמת מערכת לייזר שיכולה להגיב באופן פעיל לשינויים בתאורה, החוקרים מקווים שהתוצאות שלהם יוכלו לעורר דור חדש של חומרים פוטוניים בהרכבה עצמית: מתאים ליישומים רחבי טווח כמו חישה, מחשוב מבוסס אור ותצוגות חכמות.
