Иллюстрация от Manish Trivedi et al. / Nature Physics. Группа британских физиков смогла разработать совершенно новую технологию самосборки коллоидных частиц в структуры, способные к спонтанной генерации лазерного излучения. Ключевая особенность данного подхода заключается в том, что лазеры случайного характера возникают и исчезают вблизи ряда дополнительных композитных янусовских частиц, в зависимости от включения их тепловой накачки. Расположение нескольких таких янусовских частиц позволяет контролировать область лазерной генерации и создавать источники света произвольной геометрической формы. Полученные результаты исследования опубликованы в известном журнале Nature Physics. Самоорганизация выражается в спонтанном возникновении упорядоченной структуры, охватывающей расстояния, значительно превосходящие масштаб взаимодействия между отдельными элементами. Она играет фундаментальную роль в биологических процессах, как на молекулярном уровне, так и на уровне популяций.
Инженеры и ученые также освоили самосборку частиц и используют ее для 3D-биопечати, сборки молекулярных многогранников и коллоидных фотонных материалов.
Последний тип материалов интересен тем, что размер отдельных элементов в них часто сопоставим с длиной волны света. В ряде случаев это приводит сильному рассеянию света, из-за чего испущенный внутри них свет проходит в среде большое расстояние, прежде чем покинет материал. Не так давно физики догадались использовать это свойство вместе с оптическим усилением, что привело к изобретению случайных лазеров.
Если в обычном лазере свет возвращается в активную среду, и потому усиливается, благодаря зеркалам, то здесь работает диффузный механизм, а потому работа этих источников света менее подвержена возмущениям. Специфические когерентные и пространственные свойства света, испускаемого случайными лазерами, сделали их полезными в спектроскопии сверхвысокого разрешения и сенсорах. К их недостаткам можно отнести невозможность перестройки свойств после изготовления.
Преодолеть эту трудность вызвалась группа британских физиков под руководством Риккардо Сапиенца (Riccardo Sapienza) из Имперского колледжа Лондона и Джорджио Вольпе (Giorgio Volpe) из Университетского колледжа Лондона. Для этого они использовали свойство коллоидных ансамблей к самоорганизации по требованию под действием внешнего источника энергии. Собирая и разбирая такие структуры, авторы могли включать и выключать образующийся случайный лазер, а также переносить лазерную генерацию с места на место и конфигурировать ее геометрические свойства.
В своем опыте физики использовали коллоидный раствор частиц диоксида титана со средним радиусом 0,915 микрометров, свободно плавающих в этаноле с примесью родаминовых красителей, заполняющем плоскую кювету. Они также добавляли в раствор композитные частицы (частицы Януса), представляющие собой сферы из диоксида кремния радиусом 4,22 микрометра, наполовину покрытые 60-нанометровым слоем углерода. Такие частицы интересны тем, что при облучении их светом непрерывного гелий-неонового лазера на длине волны 632,8 нанометра они переворачиваются покрытием вниз и притягивают к себе коллоидные частицы с помощью сил, вызванных температурным градиентом. Авторы следили за влиянием самосборки на флуоресценцию красителя, накачиваемого другим лазером на длине волны 532 нанометра.
Три различных этапа эксперимента: (a) аккумуляция частиц, (b) режим случайного лазера и (c) рассредоточение. Верхние панели — схематический вид сбоку, нижние — изображение с микроскопа, снятое сверху. Зеленым цветом обозначена область, за излучением из которой следили авторы. Цветными линиями обозначены траектории нескольких частиц. Manish Trivedi et al. / Nature Physics
Процесс самоорганизации частиц диоксида титана вокруг частицы Януса не мгновенный. Температура падает с расстоянием от центра частицы Януса по обратному закону. Моделирование показало, что скорость, с которой частицы тянутся к области высокой температуры, спадает из-за этого по закону обратного квадрата от расстояния. Поэтому в эксперименте нужная концентрация коллоидных частиц была достигнута лишь через 43 минуты.
О том, что система стала переизлучать свет в режиме случайного лазера, физики узнали, отслеживая зависимости интенсивности и спектральной ширины отклика от интенсивности накачки. В момент образования лазера первая перешла в сверхлинейный режим, а вторая испытала резкое уменьшение. Качественный переход произошел при преодолении интенсивности накачки в 70 миллиджоуль на квадратный сантиметр.
Эксперименты с лазерной генерацией показали, что она включается и выключается по мере того, как частицы накапливаются до нужной концентрации в пределах некоторого критического радиуса. После выключения нагревающего лазера, структура рассасывается, и флуоресценция переходит в некогерентный режим. Повторное же создание градиента температуры снова собирает случайный лазер.
Ученые продемонстрировали гибкость предложенной технологии, включив в схему несколько частиц Януса. Поочередный нагрев заставил коллоидные частицы мигрировать с места на место, унося с собой источник лазерного света. Одновременный же нагрев позволил формировать различные геометрические фигуры в зависимости от того, сколько в кювете частиц Януса и как они расположены.
Примеры геометрий, которые могут приобретать случайные лазеры. Manish Trivedi et al. / Nature Physics
Недавно мы рассказывали, как самосборка капель, на которые разбивается струя, помогает создавать капельные кристаллы.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
