Znajdź zawartość

Uczeni pracujący pod kierunkiem akademików z Princeton University odkryli nowy sposób na zmuszenie materiałów do emisji wiązki laserowej. Claire Gmachl z Mid-Infrared Technologies for Health and the Environment (MIRTHE) poinformowała o dodatkowej wiązce, którą znaleziono w kwantowym laserze kaskadowym. Wiązka ta ma niezwykłe właściwości, a do jej wygenerowania potrzeba znacznie mniej energii. Jeśli wyłączymy standardową wiązkę, uzyskamy lepszy laser, który bardziej efektywnie wykorzystuje energię - mówi Gmachl. Zbudowany na Princeton University laser ma zaledwie 3 milimetry długości. Składa się jednak z setek warstw różnych półprzewodników o grubości kilku atomów każda. Elektrony przechodzą przez kolejne warstwy i tracą energię co wywołuje emisję fotonów w postaci wiązki laserowej. Już w czerwcu 2007 roku poinformowano, że w tego typu laserach można zauważyć drugą wiązkę o nieco mniejszej długości fali, niż wiązka główna. Kolejne badania pokazały, że jej istnienia nie potrafimy wyjaśnić za pomocą żadnej istniejącej teorii. Okazało się też, że, w przeciwieństwie do konwencjonalnych laserów, druga wiązka jest tym silniejsza, im wyższa temperatura pracy. Co więcej, wyraźnie "konkuruje" ona z wiązką główną, gdyż ta słabnie w miarę jak druga wiązka staje się mocniejsza. Zespół Gmachl potrafi obecnie wyjaśnić sposób powstawania drugiej wiązki. Otóż w konwencjonalnych laserach tylko te elektrony, których pęd jest bliski zeru, biorą udział w emisji światła. Wiązka powstaje dzięki temu, że znaczna liczba elektronów znajduje się w stanie równowagi - mają takie same poziomy energii i pędu. Zespół z Princeton dowiedział się, że druga wiązka powstaje dzięki nierównowadze. Tworzona jest przez elektrony o niskim poziomie energii, ale dużym momencie pędu. To z kolei dowodzi, że elektrony są użyteczne w laserach nawet wówczas, gdy nie znajdują się w równowadze - mówi Gmachl. Dzięki temu odkryciu możliwe będzie tworzenie znacznie bardziej wydajnych laserów. W obecnie używanych laserach elektrony często absorbują fotony, zmniejszając wydajność urządzenia. W nowych laserach elektrony o wysokim momencie pędu nie będą absorbowały fotonów, dzięki czemu wzrośnie wydajność laserów. To z kolei oznacza, że będą one używały mniej energii i będą mniej wrażliwe na zmiany temperatury. Prototyp stworzony przez naukowców z Princeton nie osiągnął pełni swych możliwości, gdyż dominowała w nim konwencjonalna wiązka. Uczeni szukają teraz sposobów na jej wyłączenie.

Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda skonstruowali laser, który pozwala na zajrzenie do wnętrza komórki i obserwowanie na żywo zachodzących tam procesów. Dzięki dodaniu nanoanteny do lasera działającego w paśmie podczerwieni stworzono urządzenie zdolne do przekazania obrazu o 100-krotnie większej rozdzielczości niż dotychczas. Do tej pory mikroskopy używane do obserwowania komponentów chemicznych wchodzących w skład komórek były ograniczone limitem dyfrakcyjnym. Jest to zjawisko fizyczne, które powoduje, że konwencjonalne soczewki mogą skupić światło do maksimum połowy długości jego fali. Mniejszych długości za ich pomocą nie można uzyskać. To bardzo poważne ograniczenie. Jeśli bowiem używamy do obserwacji mikroskopowej światła podczerwonego o długości fali 24 mikrometrów, to może ono zostać skupione do punku o szerokości 12 mikrometrów. Tymczasem wielkość komórki zwierzęcej to 10 mikrometrów, bakterii – 1 mikrometr, a wirusa – dziesiąte części mikrometra. Tak więc 12 mikrometrów to zdecydowanie zbyt dużo. Uczeni z Uniwersytetu Harvarda jako pierwsi pokonali limit refrakcyjny. Udało im się to w ubiegłym roku, gdy skonstruowali nanoantenę na potrzeby wyjątkowo gęstego zapisu danych na CD. Pierwsza nanoantena składała się z dwóch pręcików pokrytych złotem, pomiędzy którymi jest 30-nanometrowa przerwa. Gdy światło lasera trafia na pręciki, na moment wytrąca ono elektrony złota. Skupiają się one przy jednym z pręcików. W ten sposób jeden z nich ma wartość ujemną, drugi dodatnią. Antena działa jak kondensator i skupia światło lasera do około 10 nanometrów. Później, po przejściu przez "kondensator" światło zaczyna się rozpraszać, jednak gdy dociera do powierzchni nośnika długość jego fali wynosi 40 nanometrów. Nanoantena użyta do obserwacji komórek jest zbudowana podobnie, jednak zapewnia rozdzielczość rzędu 100 nanometrów. Naukowcy skojarzyli swoją antenę z kwantowym laserem kaskadowym i wykorzystali ją w mikrobiologii. Tego typu lasery emitują światło w średnim zakresie podczerwieni (od 3 do 24 mikrometrów) i są używane do identyfikacji związków chemicznych, gdyż w średniej podczerwieni poszczególne molekuły odbijają właściwe sobie częstotliwości światła. Dotychczas tego typu lasery nie były wykorzystywane w obrazowaniu o wysokiej rozdzielczości. Teraz mogą być wykorzystane do tego celu, a mikroskopy, w których zostaną zastosowane lasery kaskadowe, mogłyby np. wykrywać zmiany w pojedynczych białkach znajdujących się na powierzchni komórki. Dzięki zastosowaniu nanoanteny możliwe będzie uzyskanie jeszcze lepszej rozdzielczości. Jest ona bowiem ograniczona rozmiarem przerwy pomiędzy oboma pręcikami. Wraz z rozwojem technik produkcyjnych odległość tę będzie można zmniejszać, zwiększając tym samym rozdzielczość mikroskopu.