Физики разработали лазер на флуоресцентных белках медуз

Физики разработали лазер на флуоресцентных белках медуз

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 

N+1

Похожие новости:
Лазерный интернет: быстрее и еще быстрее
Физики из Университета штата Иллинойс разработали и создали миниатюрный оксидный лазер длиной 850 нм, способный передавать своими импульсами информацию со скоростью 40 гигабит в секунду. Подробности этой разработки опубликованы в журнале IEEE Photonics Technology Letters.  Лазер относится к типу oxide VCSEL, ..
2013-11-8 2749 0 Технология
0
Физики разработали фемтосекундную микроскопию для электромагнитных полей
Физики из Университета Людвига Максимилиана разработали новую методику электронной микроскопии, которая позволяет увидеть сверхбыстрые колебания электромагнитного поля. Ученые проверили ее, проанализировав изменения в электронном поле, которые происходят при взаимодействии метаматериалов с видимым светом. По словам авторов, новый метод микроскопии ..
2016-07-25 2370 0 Технология
1
Физики предложили идею плазменно-лазерного ускорителя
Ученые из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли пришли к выводу, что использование лазеров может уменьшить длины ускорителей частиц в тысячи раз. Работа специалистов опубликована в журнале Physics of Plasmas, кратко с ней можно ознакомиться на сайте Phys.org. Физики рассмотрели идею плазменно-лазерного ..
2014-05-29 1804 0 Технология
1
Физики создавали двухмерные графеновые транзисторы
Американские физики сделали большой шаг в сторону двухмерной графеновой электроники, научившись наносить слой изолятора на произвольные участки листа из "нобелевского" углерода, что позволило им изготовить сверхтонкие транзисторы из графена, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology. Этот элемент ..
2013-01-29 1664 0 Технология
0
РФ лидирует в лазерной гонке
В городе Саров Нижегородской области построят самый мощный в мире лазер. Установка двойного назначения стоимостью 1,75 млрд. руб. будет высотой с 10-этажный дом и длиной 360 метров. Есть мировой рейтинг мощнейших суперкомпьютеров, существует и рейтинг гигантских лазеров. Мощность ..
2012-02-23 2876 0 Технология
0
В России разработан уникальный медицинский лазер
Специалистами факультета инновационных технологий Томского государственного университета был изобретен лазер, предназначенный для резки костей и биологических тканей. Как сообщается на сайте ТГУ, лазер не имеет аналогов как в России, так и во всем мире, а основной особенностью установки является то, что при воздействии лазера не происходит обугливания ..
2015-03-17 2263 0 Технология
2
Новый лазер для высокоскоростной передачи данных
Инженеры-электрики, университета штата The University of Texas в Арлингтоне и университета University of Wisconsin-Madison, разработали новый лазер для встроенных оптических соединений, который увеличит скорость и энергетическую эффективность компьютера. Свои выводы они опубликовала в журнале Nature Photonics. Высотой всего 2 мкм, меньше ..
2012-07-25 2499 0 Технология
0
Лазер величиной с вирус
Самый компактный в мире лазер – устройство размером с вирусную частицу. «Плазмонный нанолазер», разработанный командой Тери Одом (Teri Odom), работает при комнатной температуре и может быть легко интегрирован в современные электронные устройства, делая их еще более компактными и быстродействующими.Плазмоны ..
2012-11-15 1647 0 Технология
1
Ученые разработали новый метод добычи нефти и газа
Российские ученые разработали новый метод добычи нефти и газа.  Специалисты предлагают использовать вместо бура лазер, который не разрушает породу, а плавит её. По заявлению ученых, этот способ не имеет подобных аналогов в мире. Он позволяет извлекать нефть ..
2013-12-11 4843 0 Технология
1
Физики научились управлять режимами акустического лазера
Ученые из Мэриленда (США) продемонстрировали возможность управления многомодовым (многочастотным) режимом работы акустического лазера. Результаты своей работы авторы опубликовали в журнале Physical Review Letters. Акустический лазер включает в себя полость-резонатор, в которой установлена специальная отражающая мембрана, ..
2014-07-17 1502 0 Технология
0
Физики создали аналог раздевающих сканеров для молекул
Физики из университетов Питтсбурга и Висконсин-Мэдисон разработали микроскопические излучатели и детекторы, которые позволяют создать аналог аэропортового сканера безопасности для индивидуальных молекул. Прибор позволит изучать их свойства в терагерцовом диапазоне. Работа опубликована в журнале Nano Letters, кратко о ней можно ..
2013-08-6 1532 0 Технология
0
Физики разработали графеновый транзистор
Физики из Швеции и Германии представили прототип транзистора на основе графена и соединения кремния и углерода, которому не требуются металлические электроды. По словам ученых, роль электродов играют полоски графена, соединенные с карбидом кремния, являющимся полупроводником.По словам исследователей, функции ..
2012-07-19 1986 0 Технология
0
Новый мощный лазер будет рвать ткань пространства
Ученые планируют за $ 1,5 млрд. создать лазер достаточно сильный, чтобы "рвать ткань пространства". Лазер достаточно мощный, чтобы разорвать материю пространства может быть построен в Великобритании. Крупный научный проект будет идти по стопам Большого адронного ..
2011-11-1 3044 0 Технология
1
Ученые создали микроускоритель частиц
Физики из Университета штата Техас в Остине создали настольный ускоритель частиц, который может разгонять частицы до таких энергий и скоростей, которые ранее были достижимы только с применением ускорителей длиною в сотни метров и стоившими сотни миллионов долларов. «Мы ..
2013-06-22 1708 0 Технология
0
Ученые разработали микроскопический датчик силы
Физики из России, Белоруссии и Испании разработали микроскопический датчик силы, в своем устройстве использующий углеродные нанотрубки. Описание датчика представлено к публикации в журнале Computational Materials Science, с ее кратким содержанием можно ознакомиться на сайте Московского физико-технического института. Устройство представляет ..
2014-07-01 1695 0 Технология
0