Fysiker i Storbritannien har designat ett självmonterande fotoniskt system, som aktivt kan anpassa laserstrålarna som det producerar som svar på ändrad belysning. Teamet, ledd av Riccardo Sapienza vid Imperial College London och Giorgio Volpe vid University College London, baserade sin design kring ett system av suspenderade mikropartiklar, som bildade täta kluster när blandningen belystes.
Många system i naturen kan utnyttja energin i sina omgivande miljöer för att bilda koordinerade strukturer och mönster inom grupper av individuella element. Dessa sträcker sig från fiskstim, som dynamiskt ändrar sin form för att undvika rovdjur, till veckning av proteiner som svar på kroppsfunktioner, såsom muskelkontraktion.
Ett omfattande forskningsfält ägnas nu åt att efterlikna denna självorganisering i konstgjorda material, som kan anpassa sig och omkonfigurera sig själva som svar på sin föränderliga omgivning. I denna senaste forskning, rapporterad i Naturfysik, Sapienza och Volpes team syftade till att reproducera effekten i en laserenhet, som förändrar ljuset den producerar när dess miljö förändras.
För att uppnå detta utnyttjade forskarna en unik klass av material som heter kolloider, där partiklar är spridda i en vätska. Eftersom dessa partiklar lätt kan syntetiseras med storlekar som är jämförbara med våglängderna för synligt ljus, används kolloider redan i stor utsträckning som byggstenar i avancerade fotoniska enheter – inklusive lasrar.
När deras partiklar är suspenderade i lösningar av laserfärgämnen, kan dessa blandningar sprida och förstärka ljuset som fångas i dem och producera laserstrålar genom optisk pumpning med en annan högenergilaser. Hittills har dessa konstruktioner dock till stor del involverat statiska kolloider, vars partiklar inte kan omkonfigurera sig själva när deras omgivning förändras.
I sitt experiment introducerade Sapienza, Volpe och kollegor en mer avancerad kolloidblandning, där titandioxid (TiO)2) partiklar suspenderades jämnt i en etanollösning av laserfärgämne som också innehöll Janus-partiklar (som har två distinkta sidor med olika fysikaliska egenskaper). Ena hälften av de sfäriska ytorna på Janus-partiklarna lämnades blott, medan den andra var belagd med ett tunt lager av kol, vilket förändrade dess termiska egenskaper.
Detta innebar att när Janus-partiklarna belystes med en 632.8 nm HeNe-laser genererade de en temperaturgradient i molekylär skala i vätskan som omgav dem. Detta orsakade TiO2 partiklar i kolloiden för att klunga sig runt den heta Janus-partikeln och bilda en optisk kavitet. När belysningen avslutats kyls Janus-partikeln och partiklarna sprids tillbaka till sina ursprungliga, enhetliga arrangemang.
Ny halvledarlaser levererar hög effekt vid en enda frekvens
Detta unika beteende gjorde det möjligt för Sapienza och Volpes team att noggrant kontrollera storlekarna och densiteterna på deras TiO2kluster. Genom optisk pumpning visade de att tillräckligt täta kluster kunde producera en intensiv laser som spänner över ett smalt område av synliga våglängder. Processen var också helt reversibel, med laserdimmer och breddning när belysningen togs bort.
När forskarna demonstrerar ett lasersystem som aktivt kan reagera på förändringar i belysningen hoppas forskarna att deras resultat kan inspirera en ny generation av självmonterande fotoniska material: lämpliga för applikationer som är så omfattande som avkänning, ljusbaserad datoranvändning och smarta skärmar.
