Fizycy z Wielkiej Brytanii zaprojektowali samoorganizujący się system fotoniczny, który może aktywnie dostosowywać wytwarzane przez siebie wiązki laserowe w odpowiedzi na zmieniające się oświetlenie. Zespół, kierowany przez Riccardo Sapienzy w Imperial College London i Giorgio Volpe w University College London, oparli swój projekt na systemie zawieszonych mikrocząstek, które tworzyły gęste skupiska po oświetleniu mieszaniny.
Wiele systemów w przyrodzie może wykorzystać energię w otaczającym je środowisku, tworząc skoordynowane struktury i wzory w grupach poszczególnych elementów. Obejmują one ławice ryb, które dynamicznie zmieniają swój kształt, aby uniknąć drapieżników, po fałdowanie białek w odpowiedzi na funkcje organizmu, takie jak skurcze mięśni.
Rozległa dziedzina badań poświęcona jest obecnie naśladowaniu tej samoorganizacji w sztucznych materiałach, które mogą dostosowywać się i rekonfigurować w odpowiedzi na zmieniające się otoczenie. W tym najnowszym badaniu, zgłoszonym w Fizyka przyrody, Zespół Sapienzy i Volpe dążył do odtworzenia tego efektu w urządzeniu laserowym, które zmienia wytwarzane światło w miarę zmiany otoczenia.
Aby to osiągnąć, naukowcy wykorzystali unikalną klasę materiałów zwanych koloidami, w których cząsteczki są rozproszone w cieczy. Ponieważ cząstki te można łatwo zsyntetyzować o rozmiarach porównywalnych do długości fal światła widzialnego, koloidy są już szeroko stosowane jako elementy budulcowe zaawansowanych urządzeń fotonicznych – w tym laserów.
Gdy ich cząsteczki są zawieszone w roztworach barwników laserowych, mieszaniny te mogą rozpraszać i wzmacniać uwięzione w nich światło, wytwarzając wiązki laserowe poprzez pompowanie optyczne innym laserem o wysokiej energii. Jak dotąd jednak projekty te w dużej mierze wykorzystywały koloidy statyczne, których cząstki nie mogą się rekonfigurować w miarę zmiany otoczenia.
W swoim eksperymencie Sapienza, Volpe i współpracownicy wprowadzili bardziej zaawansowaną mieszankę koloidalną, w której dwutlenek tytanu (TiO2) cząstki były równomiernie zawieszone w etanolowym roztworze barwnika laserowego zawierającego również cząstki Janusa (które mają dwie różne strony o różnych właściwościach fizycznych). Jedna połowa kulistych powierzchni cząstek Janusa pozostała pusta, podczas gdy druga została pokryta cienką warstwą węgla, zmieniającego jej właściwości termiczne.
Oznaczało to, że gdy cząstki Janus zostały oświetlone laserem HeNe 632.8 nm, wygenerowały gradient temperatury w skali molekularnej w otaczającej je cieczy. To spowodowało TiO2 cząstki koloidu, aby skupiły się wokół gorącej cząstki Janusa i utworzyły wnękę optyczną. Po zakończeniu iluminacji cząsteczka Janusa ochładza się i cząsteczki rozpraszają się z powrotem do swoich pierwotnych, jednolitych układów.
Nowy laser półprzewodnikowy zapewnia wysoką moc przy jednej częstotliwości
To wyjątkowe zachowanie pozwoliło zespołowi Sapienzy i Volpe na staranne kontrolowanie rozmiarów i gęstości ich TiO2klastry. Poprzez pompowanie optyczne wykazali, że wystarczająco gęste gromady mogą wytwarzać intensywny laser obejmujący wąski zakres widzialnych długości fal. Proces był również całkowicie odwracalny, przy czym laser ściemniał się i rozszerzał po usunięciu oświetlenia.
Demonstrując system laserowy, który może aktywnie reagować na zmiany oświetlenia, naukowcy mają nadzieję, że ich wyniki mogą zainspirować nową generację samoorganizujących się materiałów fotonicznych: nadających się do zastosowań o tak szerokim zakresie, jak wykrywanie, obliczenia oparte na świetle i inteligentne wyświetlacze.
