ไมโครเลเซอร์ที่ประกอบเองได้ปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อม

นักฟิสิกส์ในสหราชอาณาจักรได้ออกแบบระบบโฟโตนิกที่ประกอบเองได้ ซึ่งสามารถปรับลำแสงเลเซอร์ที่สร้างขึ้นเพื่อตอบสนองต่อแสงที่เปลี่ยนไป นำทีมโดย ริคคาร์โด้ ซาเปียนซา ที่ Imperial College London และ จอร์โจ้ โวลเป้ ที่มหาวิทยาลัยคอลเลจลอนดอน ตามการออกแบบของพวกเขาเกี่ยวกับระบบอนุภาคขนาดเล็กที่แขวนลอย ซึ่งก่อตัวเป็นกระจุกหนาแน่นเมื่อส่วนผสมถูกส่องสว่าง

ระบบจำนวนมากในธรรมชาติสามารถควบคุมพลังงานในสภาพแวดล้อมโดยรอบเพื่อสร้างโครงสร้างและรูปแบบที่ประสานกันภายในกลุ่มขององค์ประกอบแต่ละอย่าง มีตั้งแต่ฝูงปลาที่เปลี่ยนรูปร่างแบบไดนามิกเพื่อหลบเลี่ยงผู้ล่า ไปจนถึงการพับของโปรตีนเพื่อตอบสนองต่อการทำงานของร่างกาย เช่น การหดตัวของกล้ามเนื้อ

ขณะนี้มีการวิจัยในสาขาที่กว้างขวางเพื่อเลียนแบบการจัดระเบียบตนเองในวัสดุประดิษฐ์ ซึ่งสามารถปรับเปลี่ยนและกำหนดค่าตัวเองใหม่เพื่อตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไป ในงานวิจัยล่าสุดนี้ รายงานใน ฟิสิกส์ธรรมชาติ, ทีมของ Sapienza และ Volpe มีเป้าหมายที่จะสร้างเอฟเฟกต์ในอุปกรณ์เลเซอร์ ซึ่งจะเปลี่ยนแสงที่ผลิตได้เมื่อสภาพแวดล้อมเปลี่ยนไป

เพื่อให้บรรลุสิ่งนี้ นักวิจัยได้ใช้ประโยชน์จากวัสดุประเภทหนึ่งที่เรียกว่าคอลลอยด์ ซึ่งอนุภาคจะกระจายตัวไปทั่วของเหลว เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้สามารถสังเคราะห์ได้อย่างง่ายดายด้วยขนาดที่เทียบได้กับความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้ คอลลอยด์จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเป็นส่วนประกอบสำคัญของอุปกรณ์โฟโตนิกขั้นสูง รวมถึงเลเซอร์

เมื่ออนุภาคของพวกมันถูกแขวนลอยในสารละลายของสีย้อมเลเซอร์ สารผสมเหล่านี้สามารถกระจายและขยายแสงที่ติดอยู่ภายในพวกมัน ทำให้เกิดลำแสงเลเซอร์ผ่านการปั๊มด้วยแสงด้วยเลเซอร์พลังงานสูงอีกตัวหนึ่ง อย่างไรก็ตาม จนถึงตอนนี้ การออกแบบเหล่านี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับคอลลอยด์แบบคงที่ ซึ่งอนุภาคไม่สามารถกำหนดค่าตัวเองใหม่ได้เมื่อสภาพแวดล้อมเปลี่ยนแปลงไป

ในการทดลอง Sapienza, Volpe และคณะได้แนะนำส่วนผสมคอลลอยด์ขั้นสูงขึ้น ซึ่งไททาเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) อนุภาคแขวนลอยอย่างสม่ำเสมอในสารละลายเอธานอลของสีย้อมเลเซอร์ซึ่งมีอนุภาคเจนัสอยู่ด้วย (ซึ่งมีสองด้านที่แตกต่างกันโดยมีคุณสมบัติทางกายภาพต่างกัน) พื้นผิวทรงกลมครึ่งหนึ่งของอนุภาค Janus ถูกปล่อยทิ้งไว้ ในขณะที่อีกพื้นผิวหนึ่งเคลือบด้วยชั้นบางๆ ของคาร์บอน ทำให้คุณสมบัติทางความร้อนของอนุภาคเปลี่ยนแปลงไป

ซึ่งหมายความว่าเมื่ออนุภาค Janus ส่องสว่างด้วยเลเซอร์ HeNe 632.8 นาโนเมตร พวกมันสร้างการไล่ระดับอุณหภูมิระดับโมเลกุลในของเหลวที่อยู่รอบๆ สิ่งนี้ทำให้เกิด TiO₂ อนุภาคในคอลลอยด์จะจับกลุ่มกันรอบๆ อนุภาคเจนัสที่ร้อนและก่อตัวเป็นช่องแสง เมื่อการส่องสว่างสิ้นสุดลง อนุภาค Janus จะเย็นตัวลงและอนุภาคจะแยกย้ายกันไปที่การจัดวางแบบเดิมและสม่ำเสมอ

พฤติกรรมที่ไม่เหมือนใครนี้ทำให้ทีมของ Sapienza และ Volpe สามารถควบคุมขนาดและความหนาแน่นของ TiO ได้อย่างระมัดระวัง₂กลุ่ม จากการปั๊มด้วยแสง พวกเขาแสดงให้เห็นว่ากระจุกที่มีความหนาแน่นเพียงพอสามารถสร้างเลเซอร์ที่เข้มข้น ซึ่งครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นที่มองเห็นได้แคบ กระบวนการนี้ยังสามารถย้อนกลับได้อย่างสมบูรณ์ด้วยการหรี่แสงเลเซอร์และขยายกว้างขึ้นเมื่อนำแสงสว่างออก

ในการสาธิตระบบเลเซอร์ที่สามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของแสงได้อย่างเต็มที่ นักวิจัยหวังว่าผลลัพธ์ของพวกเขาจะสร้างแรงบันดาลใจให้กับวัสดุโฟโตนิกที่ประกอบตัวเองได้รุ่นใหม่ ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย เช่น การตรวจจับ การประมวลผลด้วยแสง และจอแสดงผลอัจฉริยะ