Selvmonterende mikrolaser tilpasser seg omgivelsene

Fysikere i Storbritannia har designet et selvmonterende fotonisk system, som aktivt kan tilpasse laserstrålene det produserer som svar på skiftende belysning. Teamet, ledet av Riccardo Sapienza ved Imperial College London og Giorgio Volpe ved University College London, baserte deres design rundt et system av suspenderte mikropartikler, som dannet tette klynger når blandingen ble belyst.

Mange systemer i naturen kan utnytte energien i de omkringliggende miljøene for å danne koordinerte strukturer og mønstre innenfor grupper av individuelle elementer. Disse spenner fra fiskestimer, som dynamisk endrer form for å unngå rovdyr, til folding av proteiner som svar på kroppsfunksjoner, som muskelsammentrekning.

Et omfattende forskningsfelt er nå dedikert til å emulere denne selvorganiseringen i kunstige materialer, som kan tilpasse seg og rekonfigurere seg selv som svar på deres skiftende omgivelser. I denne siste forskningen, rapportert i Naturfysikk, Sapienza og Volpes team hadde som mål å reprodusere effekten i en laserenhet, som endrer lyset den produserer når miljøet endres.

For å oppnå dette utnyttet forskerne en unik klasse materialer kalt kolloider, der partikler er spredt gjennom en væske. Siden disse partiklene lett kan syntetiseres med størrelser som kan sammenlignes med bølgelengdene til synlig lys, er kolloider allerede mye brukt som byggesteinene i avanserte fotoniske enheter – inkludert lasere.

Når partiklene deres er suspendert i løsninger av laserfargestoffer, kan disse blandingene spre og forsterke lyset som er fanget i dem, og produsere laserstråler gjennom optisk pumping med en annen høyenergilaser. Så langt har imidlertid disse designene i stor grad involvert statiske kolloider, hvis partikler ikke kan rekonfigurere seg selv ettersom omgivelsene endres.

I eksperimentet deres introduserte Sapienza, Volpe og kolleger en mer avansert kolloidblanding, der titandioksid (TiO)₂) partikler ble jevnt suspendert i en etanolløsning av laserfargestoff som også inneholdt Janus-partikler (som har to forskjellige sider med forskjellige fysiske egenskaper). Den ene halvdelen av de sfæriske overflatene til Janus-partiklene ble stående nakne, mens den andre ble belagt med et tynt lag karbon, noe som endret dens termiske egenskaper.

Dette betydde at når Janus-partiklene ble opplyst med en 632.8 nm HeNe-laser, genererte de en molekylær-skala temperaturgradient i væsken som omgir dem. Dette forårsaket TiO₂ partikler i kolloidet for å gruppere seg rundt den varme Janus-partikkelen og danne et optisk hulrom. Når belysningen avsluttet, avkjøles Janus-partikkelen og partiklene spres tilbake til sine opprinnelige, ensartede arrangementer.

Denne unike oppførselen gjorde det mulig for Sapienza og Volpes team å nøye kontrollere størrelsene og tetthetene til deres TiO₂klynger. Gjennom optisk pumping viste de at tilstrekkelig tette klynger kunne produsere en intens laser som spenner over et smalt område av synlige bølgelengder. Prosessen var også fullstendig reversibel, med laserdimming og utvidelse når belysningen ble fjernet.

Ved å demonstrere et lasersystem som aktivt kan reagere på endringer i belysning, håper forskerne resultatene deres kan inspirere til en ny generasjon av selvmonterende fotoniske materialer: egnet for applikasjoner så vidtgående som sansing, lysbasert databehandling og smarte skjermer.