Fizicienii din Marea Britanie au proiectat un sistem fotonic cu auto-asamblare, care poate adapta în mod activ razele laser pe care le produce ca răspuns la schimbarea iluminării. Echipa, condusă de Riccardo Sapienza la Imperial College London și Giorgio Volpe de la University College London, și-au bazat designul pe un sistem de microparticule suspendate, care au format grupuri dense atunci când amestecul a fost iluminat.
Multe sisteme din natură pot valorifica energia din mediile înconjurătoare pentru a forma structuri și modele coordonate în cadrul unor grupuri de elemente individuale. Acestea variază de la bancuri de pești, care își schimbă în mod dinamic forma pentru a evita prădătorii, până la plierea proteinelor ca răspuns la funcțiile corpului, cum ar fi contracția musculară.
Un domeniu extins de cercetare este acum dedicat emulării acestei auto-organizari în materiale artificiale, care se pot adapta și reconfigura ca răspuns la mediul lor în schimbare. În această ultimă cercetare, raportată în Fizica naturii, Echipa lui Sapienza și Volpe și-a propus să reproducă efectul într-un dispozitiv laser, care modifică lumina pe care o produce pe măsură ce mediul său este modificat.
Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au exploatat o clasă unică de materiale numite coloizi, în care particulele sunt dispersate într-un lichid. Deoarece aceste particule pot fi sintetizate cu ușurință cu dimensiuni comparabile cu lungimile de undă ale luminii vizibile, coloizii sunt deja utilizați pe scară largă ca elemente de bază ale dispozitivelor fotonice avansate - inclusiv laserele.
Atunci când particulele lor sunt suspendate în soluții de coloranți laser, aceste amestecuri pot împrăștia și amplifica lumina prinsă în ele, producând fascicule laser prin pompare optică cu un alt laser de înaltă energie. Până acum, însă, aceste modele au implicat în mare măsură coloizi statici, ale căror particule nu se pot reconfigura pe măsură ce mediul înconjurător se schimbă.
În experimentul lor, Sapienza, Volpe și colegii au introdus un amestec de coloizi mai avansat, în care dioxidul de titan (TiO2)2) particulele au fost suspendate uniform într-o soluție de etanol de colorant laser care conținea și particule Janus (care au două laturi distincte cu proprietăți fizice diferite). O jumătate din suprafețele sferice ale particulelor Janus a fost lăsată goală, în timp ce cealaltă a fost acoperită cu un strat subțire de carbon, modificându-i proprietățile termice.
Aceasta a însemnat că, atunci când particulele Janus au fost iluminate cu un laser HeNe de 632.8 nm, au generat un gradient de temperatură la scară moleculară în lichidul din jurul lor. Acest lucru a cauzat TiO2 particulele din coloid se grupează în jurul particulei fierbinți de Janus și formează o cavitate optică. Odată ce iluminarea s-a încheiat, particula Janus se răcește și particulele se dispersează înapoi la aranjamentele lor originale, uniforme.
Noul laser semiconductor oferă putere mare la o singură frecvență
Acest comportament unic a permis echipei lui Sapienza și Volpe să controleze cu atenție dimensiunile și densitățile TiO lor.2clustere. Prin pomparea optică, ei au arătat că grupurile suficient de dense ar putea produce un laser intens, care se întinde pe o gamă îngustă de lungimi de undă vizibile. Procesul a fost, de asemenea, complet reversibil, laserul s-a diminuat și lărgit odată ce iluminarea a fost îndepărtată.
Demonstrând un sistem laser care poate răspunde în mod activ la schimbările de iluminare, cercetătorii speră că rezultatele lor ar putea inspira o nouă generație de materiale fotonice cu auto-asamblare: potrivite pentru aplicații la fel de ample precum senzorul, calculul bazat pe lumină și afișajele inteligente.
