Фізики з Великобританії розробили самозбірну фотонну систему, яка може активно адаптувати вироблені нею лазерні промені у відповідь на зміну освітлення. Колектив, очолюваний в Ріккардо Сапієнца в Імперському коледжі Лондона та Джорджо Вольпе в Університетському коледжі Лондона заснували свій дизайн на системі зважених мікрочастинок, які утворювали щільні кластери при освітленні суміші.
Багато систем у природі можуть використовувати енергію навколишнього середовища для формування скоординованих структур і моделей у групах окремих елементів. Вони варіюються від зграй риб, які динамічно змінюють свою форму, щоб уникнути хижаків, до згортання білків у відповідь на тілесні функції, такі як скорочення м’язів.
Нині широке поле досліджень присвячено імітації цієї самоорганізації в штучних матеріалах, які можуть адаптуватися та змінювати конфігурацію у відповідь на мінливе оточення. У цьому останньому дослідженні, повідомленому в Фізика природи, Команда Сапіенци та Вольпе прагнула відтворити ефект у лазерному пристрої, який змінює світло, яке виробляє, коли змінюється навколишнє середовище.
Щоб досягти цього, дослідники використали унікальний клас матеріалів під назвою колоїди, у яких частинки розосереджені в рідині. Оскільки ці частинки можна легко синтезувати з розмірами, порівнянними з довжинами хвиль видимого світла, колоїди вже широко використовуються як будівельні блоки передових фотонних пристроїв, включаючи лазери.
Коли їхні частинки суспендовані в розчинах лазерних барвників, ці суміші можуть розсіювати та посилювати світло, захоплене ними, створюючи лазерні промені за допомогою оптичного накачування іншим високоенергетичним лазером. Однак поки що ці конструкції в основному включали статичні колоїди, частинки яких не можуть змінювати конфігурацію, коли змінюється їх оточення.
У своєму експерименті Сапієнца, Вольпе та їх колеги представили більш досконалу колоїдну суміш, у якій діоксид титану (TiO2) частинки були рівномірно суспендовані в етанольному розчині лазерного барвника, що також містить частинки Януса (які мають дві різні сторони з різними фізичними властивостями). Одна половина сферичних поверхонь частинок Януса залишилася оголеною, а інша була покрита тонким шаром вуглецю, що змінило його теплові властивості.
Це означало, що коли частинки Януса освітлювали HeNe-лазером з довжиною хвилі 632.8 нм, вони створювали температурний градієнт молекулярного масштабу в рідині, що їх оточувала. Це викликало TiO2 частинки в колоїді згруповуються навколо гарячої частинки Януса та утворюють оптичну порожнину. Після закінчення освітлення частинка Януса охолоджується, і частинки розсіюються назад до свого початкового рівномірного розташування.
Новий напівпровідниковий лазер забезпечує високу потужність на одній частоті
Така унікальна поведінка дозволила команді Сапіенци та Вольпе ретельно контролювати розміри та щільність їх TiO2кластери. За допомогою оптичного накачування вони показали, що досить щільні кластери можуть виробляти інтенсивний лазер, який охоплює вузький діапазон видимих довжин хвиль. Процес також був повністю оборотним, з лазерним затемненням і розширенням після видалення освітлення.
Демонструючи лазерну систему, яка може активно реагувати на зміни в освітленні, дослідники сподіваються, що їхні результати можуть надихнути нове покоління самозбірних фотонних матеріалів: придатних для таких різноманітних застосувань, як зондування, обчислення на основі світла та розумні дисплеї.
