Физики из Великобритании разработали самособирающуюся фотонную систему, которая может активно адаптировать создаваемые ею лазерные лучи в ответ на изменение освещения. Команда под руководством Риккардо Сапиенца в Имперском колледже Лондона и Джорджио Вольпе в Университетском колледже Лондона построили свою конструкцию на основе системы взвешенных микрочастиц, которые образовывали плотные кластеры при освещении смеси.
Многие системы в природе могут использовать энергию окружающей их среды для формирования скоординированных структур и паттернов в группах отдельных элементов. Они варьируются от косяков рыб, которые динамически меняют свою форму, чтобы ускользнуть от хищников, до сворачивания белков в ответ на функции организма, такие как сокращение мышц.
Обширная область исследований в настоящее время посвящена имитации этой самоорганизации в искусственных материалах, которые могут адаптироваться и перестраиваться в ответ на меняющееся окружение. В этом последнем исследовании, опубликованном в Физика природы, Команда Сапиенцы и Вольпе стремилась воспроизвести эффект в лазерном устройстве, которое изменяет излучаемый им свет по мере изменения окружающей среды.
Для этого исследователи использовали уникальный класс материалов, называемых коллоидами, в которых частицы рассеяны по всей жидкости. Поскольку эти частицы могут быть легко синтезированы с размерами, сравнимыми с длинами волн видимого света, коллоиды уже широко используются в качестве строительных блоков передовых фотонных устройств, включая лазеры.
Когда их частицы взвешены в растворах лазерных красителей, эти смеси могут рассеивать и усиливать захваченный ими свет, создавая лазерные лучи за счет оптической накачки другим высокоэнергетическим лазером. Однако до сих пор эти конструкции в основном включали статические коллоиды, частицы которых не могут перестраиваться при изменении их окружения.
В своем эксперименте Сапиенца, Вольпе и их коллеги ввели более совершенную коллоидную смесь, в которой диоксид титана (TiO2) частицы были равномерно суспендированы в этанольном растворе лазерного красителя, также содержащего частицы Януса (которые имеют две разные стороны с разными физическими свойствами). Одна половина сферических поверхностей частиц Януса осталась голой, а другая была покрыта тонким слоем углерода, что изменило ее тепловые свойства.
Это означало, что когда частицы Януса освещались гелий-неоновым лазером с длиной волны 632.8 нм, они генерировали градиент температуры на молекулярном уровне в окружающей их жидкости. Это привело к тому, что TiO2 частицы в коллоиде собираются вокруг горячей частицы Януса и образуют оптическую полость. Как только освещение закончилось, частица Януса остывает, и частицы возвращаются к своему первоначальному, однородному расположению.
Новый полупроводниковый лазер обеспечивает высокую мощность на одной частоте
Это уникальное поведение позволило команде Сапиенцы и Вольпе тщательно контролировать размеры и плотность своего TiO.2кластеры. С помощью оптической накачки они показали, что достаточно плотные кластеры могут производить интенсивный лазер, охватывающий узкий диапазон видимых длин волн. Процесс также был полностью обратимым: после отключения освещения лазерное излучение тускнело и расширялось.
Демонстрируя лазерную систему, которая может активно реагировать на изменения в освещении, исследователи надеются, что их результаты могут вдохновить на создание нового поколения самособирающихся фотонных материалов, подходящих для самых разных приложений, таких как датчики, вычисления на основе света и интеллектуальные дисплеи.
