Físicos no Reino Unido projetaram um sistema fotônico de automontagem, que pode adaptar ativamente os feixes de laser que produz em resposta à mudança de iluminação. A equipe, liderada por Ricardo Sapienza no Imperial College de Londres e Giorgio Volpe na University College London, basearam seu projeto em torno de um sistema de micropartículas suspensas, que formavam aglomerados densos quando a mistura era iluminada.
Muitos sistemas na natureza podem aproveitar a energia em seus ambientes circundantes para formar estruturas e padrões coordenados dentro de grupos de elementos individuais. Estes variam de cardumes de peixes, que mudam dinamicamente de forma para evitar predadores, até o dobramento de proteínas em resposta a funções corporais, como a contração muscular.
Um extenso campo de pesquisa é agora dedicado a emular essa auto-organização em materiais artificiais, que podem se adaptar e se reconfigurar em resposta às mudanças do ambiente. Nesta última pesquisa, relatada em Física da Natureza, A equipe de Sapienza e Volpe teve como objetivo reproduzir o efeito em um dispositivo a laser, que altera a luz que produz à medida que seu ambiente é alterado.
Para conseguir isso, os pesquisadores exploraram uma classe única de materiais chamados colóides, em que as partículas são dispersas em um líquido. Como essas partículas podem ser facilmente sintetizadas com tamanhos comparáveis aos comprimentos de onda da luz visível, os coloides já são amplamente utilizados como blocos de construção de dispositivos fotônicos avançados – incluindo lasers.
Quando suas partículas são suspensas em soluções de corantes a laser, essas misturas podem espalhar e amplificar a luz presa dentro delas, produzindo feixes de laser por meio de bombeamento óptico com outro laser de alta energia. Até agora, no entanto, esses projetos envolveram amplamente colóides estáticos, cujas partículas não podem se reconfigurar à medida que o ambiente muda.
Em seu experimento, Sapienza, Volpe e colegas introduziram uma mistura colóide mais avançada, na qual o dióxido de titânio (TiO2) foram suspensas uniformemente em uma solução de etanol de corante laser também contendo partículas de Janus (que possuem dois lados distintos com propriedades físicas diferentes). Metade das superfícies esféricas das partículas de Janus foi deixada nua, enquanto a outra foi revestida com uma fina camada de carbono, alterando suas propriedades térmicas.
Isso significava que, quando as partículas de Janus foram iluminadas com um laser de HeNe de 632.8 nm, elas geraram um gradiente de temperatura em escala molecular no líquido que as cercava. Isso fez com que o TiO2 partículas no colóide para se agrupar em torno da partícula de Janus quente e formar uma cavidade óptica. Uma vez que a iluminação terminou, a partícula de Janus esfria e as partículas se dispersam de volta aos seus arranjos originais e uniformes.
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Esse comportamento único permitiu que a equipe de Sapienza e Volpe controlasse cuidadosamente os tamanhos e densidades de seus TiO2aglomerados. Por meio de bombeamento óptico, eles mostraram que aglomerados suficientemente densos poderiam produzir um laser intenso, abrangendo uma estreita faixa de comprimentos de onda visíveis. O processo também foi completamente reversível, com o escurecimento e ampliação do laser assim que a iluminação foi removida.
Ao demonstrar um sistema a laser que pode responder ativamente a mudanças na iluminação, os pesquisadores esperam que seus resultados possam inspirar uma nova geração de materiais fotônicos de automontagem: adequados para aplicações tão amplas quanto detecção, computação baseada em luz e telas inteligentes.
