Các nhà vật lý ở Anh vừa thiết kế một hệ thống quang tử tự lắp ráp, có thể điều chỉnh chủ động các chùm tia laser mà nó tạo ra để đáp ứng với sự thay đổi độ sáng. Đội ngũ được dẫn dắt bởi Riccardo Sapienza tại Imperial College London và Giorgio Volpe tại Đại học College London, thiết kế của họ dựa trên một hệ thống các vi hạt lơ lửng, tạo thành các cụm dày đặc khi hỗn hợp được chiếu sáng.
Nhiều hệ thống trong tự nhiên có thể khai thác năng lượng trong môi trường xung quanh để hình thành các cấu trúc và mô hình phối hợp trong các nhóm phần tử riêng lẻ. Những phạm vi này bao gồm từ các đàn cá thay đổi hình dạng một cách linh hoạt để trốn tránh kẻ săn mồi, cho đến việc gấp các protein để đáp ứng với các chức năng cơ thể, chẳng hạn như co cơ.
Một lĩnh vực nghiên cứu sâu rộng hiện được dành riêng để mô phỏng khả năng tự tổ chức này trong các vật liệu nhân tạo, có thể tự thích ứng và tự cấu hình lại để đáp ứng với sự thay đổi của môi trường xung quanh. Trong nghiên cứu mới nhất này, được báo cáo trong Vật lý tự nhiên, Nhóm của Sapienza và Volpe nhằm mục đích tái tạo hiệu ứng này trong một thiết bị laser, làm thay đổi ánh sáng mà nó tạo ra khi môi trường của nó bị thay đổi.
Để đạt được điều này, các nhà nghiên cứu đã khai thác một loại vật liệu độc đáo có tên là keo, trong đó các hạt được phân tán khắp chất lỏng. Vì những hạt này có thể dễ dàng được tổng hợp với kích thước tương đương với bước sóng của ánh sáng khả kiến, nên chất keo đã được sử dụng rộng rãi làm khối xây dựng của các thiết bị quang tử tiên tiến – bao gồm cả laser.
Khi các hạt của chúng lơ lửng trong dung dịch thuốc nhuộm laze, các hỗn hợp này có thể tán xạ và khuếch đại ánh sáng bị mắc kẹt bên trong chúng, tạo ra các chùm tia laze thông qua quá trình bơm quang học bằng một loại laze năng lượng cao khác. Tuy nhiên, cho đến nay, những thiết kế này phần lớn liên quan đến các chất keo tĩnh, các hạt của chúng không thể tự cấu hình lại khi môi trường xung quanh thay đổi.
Trong thí nghiệm của họ, Sapienza, Volpe và các đồng nghiệp đã giới thiệu một hỗn hợp keo tiên tiến hơn, trong đó titan dioxide (TiO2) được lơ lửng đều trong dung dịch etanol của thuốc nhuộm laser cũng chứa các hạt Janus (có hai mặt riêng biệt với các tính chất vật lý khác nhau). Một nửa bề mặt hình cầu của các hạt Janus được để trần, trong khi nửa còn lại được phủ một lớp carbon mỏng, làm thay đổi tính chất nhiệt của nó.
Điều này có nghĩa là khi các hạt Janus được chiếu sáng bằng laser HeNe có bước sóng 632.8 nm, chúng tạo ra một gradient nhiệt độ ở quy mô phân tử trong chất lỏng xung quanh chúng. Điều này khiến TiO2 các hạt trong chất keo tụ lại xung quanh hạt Janus nóng và tạo thành một khoang quang học. Sau khi quá trình chiếu sáng kết thúc, hạt Janus nguội đi và các hạt phân tán trở lại sự sắp xếp đồng nhất ban đầu của chúng.
Laser bán dẫn mới mang lại công suất cao ở một tần số duy nhất
Hành vi độc đáo này cho phép nhóm của Sapienza và Volpe kiểm soát cẩn thận kích thước và mật độ TiO của họ.2cụm. Thông qua việc bơm quang học, họ đã chứng tỏ rằng các cụm đủ dày đặc có thể tạo ra tia laser cường độ cao, trải dài trong một phạm vi bước sóng khả kiến hẹp. Quá trình này cũng có thể đảo ngược hoàn toàn, với việc tia laser mờ dần và mở rộng sau khi loại bỏ ánh sáng.
Khi chứng minh một hệ thống laser có thể phản ứng tích cực với những thay đổi về độ chiếu sáng, các nhà nghiên cứu hy vọng kết quả của họ có thể truyền cảm hứng cho một thế hệ vật liệu quang tử tự lắp ráp mới: phù hợp cho các ứng dụng có phạm vi rộng như cảm biến, điện toán dựa trên ánh sáng và màn hình thông minh.
