Физики из Великобритании и Германии разработали поляритонный лазер на основе зеленого флуоресцентного белка, работающий при комнатной температуре. Интересно, что в устройстве используется белок, синтезируемый модифицированными бактериями кишечной палочки, а в природе его аналоги встречаются у некоторых медуз. Ученые предполагают, что лазер может найти применение как в медицинской диагностике, так и в исследовании квантовой интерференции и других коллективных эффектов. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщает Phys.org.
Традиционные лазеры основаны на вынужденном излучении, возникающем, например, при переходе электронов в возбужденном атоме с одного энергетического уровня на другой, соответствующий меньшей энергии. Разница между этими энергиями излучается в виде фотона с определенной длиной волны. Излучение лазеров называется вынужденным, потому что оно запускается взаимодействием возбужденного атома с фотоном извне.
Для того чтобы добиться высокой мощности, в лазерах используются специальные системы накачки. К примеру, активную среду, в которой происходит возбуждение атомов или других частиц, могут помещать между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное. Фотоны путешествуя между зеркалами переводят атомы в возбужденное состояние, а некоторая доля излучения покидает лазер.
В работе лазера есть фундаментальные ограничения — количество электронов, находящихся на возбужденных уровнях, ограничено. На одном и том же уровне не может быть двух одинаковых электронов. В результате этого мощные лазеры обладают небольшой эффективностью возбуждения. Обойти этот запрет можно в других системах — поляритонных лазерах.
В поляритонных лазерах источником фотонов являются не возбужденные атомы, а квазичастицы, называемые экситонами. Квазичастицами называют специальные объекты, придуманные для описания явлений в твердом теле. За ними скрываются сложные многочастичные процессы, которые с помощью квазичастиц можно свести к сравнительно простым уравнениям. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале.
Экситон — объект, который можно представить себе как дырку («отсутствие электрона»), которая обращается около электрона-квазичастицы. При поглощении фотона экситон превращается в поляритон — частицу, способную испустить фотон обратно под действием внешнего воздействия. Поляритоны в отличие от электронов — бозоны, для них нет такого ограничения, какое существует в системах возбужденных атомов.
Считается, что из-за бозонной природы лазеры на поляритонах будут гораздо эффективнее, чем традиционные системы. Однако большая часть существующих поляритонных устройств требуют сильного охлаждения — по меньшей мере до –70 градусов Цельсия, а в некоторых случаях и до температур жидкого гелия. В 2007 году физики из Саутгемптонского университета добились создания лазера, работающего при комнатной температуре, основанного на полупроводниковых материалах. В новой работе авторы добились такого же результата на активной среде из белковых молекул.
Тонкий слой флуоресцентного белка (около 500 нанометров) поместили между двумя зеркальными слоями. Поляритоны возникали в материале при освещении светом с длиной волны в диапазоне 400-500 нанометров (синий свет). В результате возникает излучение с длиной волны 508 нанометров.
Авторы отмечают, что высокая эффективность и возможность лазера работать при комнатной температуре связана с геометрией белковых молекул. Активные центры в них защищены от внешних воздействий, например, столкновений с другими молекулами, цилиндром из белковых
