Новости

Дата публикации: 17/10/2016

Медузы — лучшие друзья лазеров

блок

Английские ученые (Университет Св. Эндрю, Шотландия) создали первый поляритонный лазер на основе зеленого флуоресцентного белка. В интересах науки его синтезируют генномодифицированные бактерии кишечной палочки (Escherichia coli). Впрочем, «светоносное» вещество можно встретить и в живой природе. Например, у некоторых видов морских медуз. Авторы предрекают своему изобретению блестящее будущее — использование для передачи информации, высокоточных измерений, а также применение в оптической связи и медицинской диагностике.

Недавние научные исследования выявили удивительное совпадение: некоторые виды морских животных содержат белок, свойства которого дублируют полупроводниковую среду поляритонных лазеров. Чтобы оценить юмор Создателя, связавшего развитие фотонных технологий с белком медузы, необходимо вернуться к природе лазерного излучения.

Во-первых, нужно вспомнить, что свет представляет собой поток частиц (фотонов), различных по энергии, частоте и длине волны. Фотон не имеет массы и распространяется в вакууме со скоростью света. Однако, попадая в вещество, он «перевоплощается» — «набирает» вес или изменяет скорость движения. С определенной вероятностью его метаморфозы порождают как новые фотоны, так и особые частицы — экситоны. Другими словами, в полупроводнике формируется динамическая смесь из этих двух видов частиц.

Во-вторых, следует учесть, что в решетке полупроводника экситон представляет собой «квазичастицу», состоящую из связанной пары — свободного электрона и «электронной дырки». При определенных условиях экситон впитывает фотон, образуя «каплю» светоматериального поляритона. Тот некоторое время «живет», а затем распадается, высвобождая поглощенный им ранее фотон. Свойства этой загадочной поляритонной субстанции, существующей на стыке двух миров (света и материи), помогли ученым найти альтернативный способ получения монохроматического излучения. Так появился особый лазер, который не усиливает свет, поступающий от внешнего источника, а генерирует его самостоятельно, производя и рассеивая поляритоны.

Поляритонный лазер принципиально отличается от традиционного. В основе его работы — «Бозе-конденсация» материальных частиц (бозонов), температура которой обратно пропорциональна их массе. Если бозон тяжелее свободного электрона, получение конденсата возможно только при низких (криогенных) температурах. Поскольку поляритон весит на порядок меньше электрона, температура его конденсации доходит до комнатной и выше.

В 2007г ученые впервые разработали прототип устройства, излучающего когерентный свет при комнатной температуре. В качестве активной среды использовался нитрид галлия (GaN) — твердый полупроводниковый материал, идеально подходящий для формирования поляритонов и их последующего рассеивания. Когда электрическая энергия «накачивает» такую систему, высокая плотность поляритонов приводит к их столкновениям, что высвобождает поглощенные ими фотоны света. В результате формируется аналогичный лазерному луч, сохраняющий свойства монохроматичности и поляризации.

Исследования показали, что поляритонный лазер намного экономичнее классического. Бозонная природа излучения позволяет ему эффективнее генерировать свет — он использует только электрическую энергию и потребляет ее в 250 раз меньше традиционного лазерного устройства.

Новые разработки поляритонов привели к неожиданным результатам. Замена активной полупроводниковой среды белковыми молекулами дала возможность ученым стабилизировать экситонные состояния. На этот раз вместо нитрида галлия они использовали зеленый флурисцентный белок (GFP), изначально выделенный из организма медуз (Aequorea victoria). Для усиления эффекта светоизлучения его генную модификацию поместили в геном кишечных бактерий. Полученную тончайшую пленку GFP-500 расположили между двумя зеркалами в лазерном резонаторе. Ее молекулы собраны в «связки» крошечных цилиндров, состоящих из 11 слоев атомов. Таким образом, светоизлучающая часть белка оказалась «спрятанной» внутри этих цилиндров, поэтому циркулирующие внутри нее экситоны не сталкиваются друг с другом.

По словам профессора Мальта Гезера (Университет Св. Эндрю, Шотландия) «эффективность «природного лазера» вытекает из геометрии белковых молекул. Их композиция создает уникальные свойства, весьма востребованные в производстве современных оптоэлектронных приборов». Поляритонный лазер не просто работает при комнатной температуре — он биологически «дружественен» большинству органических сред. Например, его можно использовать в качестве инструмента для внесения флюоресцирующих меток в раковые образования (до 5 тыс. оттенков зеленого цвета) или для мониторинга различных клеточных мутаций.

Другое применение таких лазеров — создание «биосовместимых источников света». Белковая природа решила проблему их совместимости с клетками, в которые они встроены. Следовательно, ученые оказались в шаге от создания своеобразных штрих-кодов, сохраняющих различную информацию. В ближайшем будущем исследования коснутся биологических материалов, излучающих фотоны с другой длинной волны. В случае успеха их используют для создания оптических компонентов, встроенных в кристаллы традиционных процессоров или сверхточных биологических маркеров, раскрывающих работу внутриклеточных механизмов.



Статьи по теме:

страницы: 1