Ny forskning bruger optiske solitons i lasere til at undersøge naturligt forekommende supramolekyler

Curtis Menyuk, professor i datalogi og elektroteknik ved University of Maryland, Baltimore County (UMBC), har samarbejdet med et team instrueret af Philip Russell ved Max-Planck Institute for Science of Light (MPI) i Erlangen, Tyskland, at få indsigt i naturligt forekommende molekylære systemer ved hjælp af optiske solitoner i lasere. Optiske solitoner er pakker af lys, der er bundet sammen og bevæger sig med konstant hastighed uden at ændre form. Dette arbejde, udgivet i Naturkommunikation , blev indledt, mens Menyuk var Humboldt Senior Research Fellow i Russell Division hos MPI.

Solitoner er allestedsnærværende i naturen, og en tsunamibølge er et eksempel på en naturligt forekommende soliton. Optiske solitoner i lasere har adskillige anvendelser og bruges til at måle frekvenser med hidtil uset nøjagtighed. I særdeleshed, de er blevet brugt til at måle tid, forbedre GPS-teknologi, og opdage fjerne planeter.

Optiske solitoner kan bindes tæt til hinanden i lasere for at lave solitonmolekyler, der er analoge med naturlige molekyler, som består af kovalent bundne atomer. Menyuk og hans MPI-kolleger har demonstreret eksperimentelt, at dette koncept kan udvides til at skabe optiske supramolekyler.

Optiske supramolekyler er store, komplekse arrays af svagt bundne optiske molekyler, der ligner naturligt forekommende supramolekyler, som er svagt bundet af ikke-kovalente bindinger. Naturligt forekommende supramolekyler bruges til kemisk at lagre og manipulere information, som biologiske systemer har brug for for at fungere. Disse supramolekyler er kendt for at spille en fundamental rolle i biokemi, især i "vært-gæst" kemi, som beskriver to eller flere molekyler, der holdes sammen strukturelt af andre kræfter end kovalente bindinger.

Menyuks og hans samarbejdspartneres arbejde samlede disse to tråde af tilsyneladende uafhængige tanker:optiske solitoner og supramolekyler. Forskerholdet viste, at det er muligt at lagre og manipulere information, der er kodet i konfigurationen af ​​solitoner, der udgør et optisk supramolekyle.

"At samle ideer fra to tilsyneladende ikke -relaterede videnskabelige områder er et af de mest kraftfulde værktøjer, ingeniører har til at gøre fremskridt, " siger Menyuk.

Optiske analoger til andre fysiske og naturligt forekommende systemer har spillet en vigtig rolle for at forbedre vores forståelse af disse systemer, og denne forståelse kan føre til nye anvendelser. Ved at efterligne de processer, som biologiske systemer bruger i et storskala lasersystem, der kan manipuleres og forstås med relativ lethed, Menyuk og hans kolleger håber at få en bedre forståelse af disse systemer og åbne døren til nye biomimetiske applikationer.