Forskere skaber kontinuerligt emitterende mikrolasere med nanopartikel-coatede perler

Forskere har fundet en måde at omdanne nanopartikelbelagte mikroskopiske perler til lasere, der er mindre end røde blodlegemer.

Disse mikrolasere, som omdanner infrarødt lys til lys ved højere frekvenser, er blandt de mindste kontinuerligt udsendende lasere af deres art, der nogensinde er rapporteret og kan konstant og stabilt udsende lys i timevis ad gangen, selv når det er nedsænket i biologiske væsker såsom blodserum.

Innovationen, opdaget af et internationalt hold af videnskabsmænd ved det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley Laboratory (Berkeley Lab), åbner mulighed for billeddannelse eller kontrol af biologisk aktivitet med infrarødt lys, og til fremstilling af lysbaserede computerchips. Deres resultater er detaljeret beskrevet i en rapport offentliggjort online 18. juni Natur nanoteknologi .

De unikke egenskaber ved disse lasere, som måler 5 mikron (milliontedele af en meter) på tværs, blev opdaget ved et uheld, da forskere studerede potentialet for polymer (plastik) perlerne, sammensat af et gennemsigtigt stof kendt som et kolloid, skal bruges til hjernebilleddannelse.

Angel Fernandez-Bravo, en postdoc forsker ved Berkeley Lab's Molecular Foundry, hvem var hovedforfatter af undersøgelsen, blandede perlerne med natrium yttriumfluorid nanopartikler "dopet, " eller indlejret, med thulium, et grundstof, der tilhører en gruppe metaller kendt som lanthanider. Molecular Foundry er et nanovidenskabsforskningscenter, der er åbent for forskere fra hele verden.

Emory Chan, en stabsforsker ved Molecular Foundry, havde i 2016 brugt beregningsmodeller til at forudsige, at thulium-doterede nanopartikler udsat for infrarødt laserlys ved en specifik frekvens kunne udsende lys med en højere frekvens end dette infrarøde lys i en kontraintuitiv proces kendt som "opkonvertering".

Også på det tidspunkt Elizabeth Levy, derefter en deltager i Lab's Summer Undergraduate Laboratory Internship (SULI) program, bemærket, at perler belagt med disse "opkonverterende nanopartikler" udsendte uventet stærkt lys ved meget specifikke bølgelængder, eller farver.

"Disse spidser var tydeligt periodiske og klart reproducerbare, " sagde Emory Chan, som var med i spidsen for undersøgelsen sammen med Foundry Staff Scientists Jim Schuck (nu ved Columbia University) og Bruce Cohen.

De periodiske spidser, som Chan og Levy havde observeret, er en lysbaseret analog til den såkaldte "whispering gallery" akustik, der kan få lydbølger til at hoppe langs væggene i et cirkulært rum, så selv en hvisken kan høres på den modsatte side af rummet. Denne hviskende gallerieffekt blev observeret i kuplen på St. Paul's Cathedral i London i slutningen af ​​1800-tallet, for eksempel.

I den seneste undersøgelse, Fernandez-Bravo og Schuck fandt ud af, at når en infrarød laser exciterer de thulium-doterede nanopartikler langs den ydre overflade af perlerne, lyset, der udsendes af nanopartiklerne, kan hoppe rundt om den indre overflade af perlen ligesom hvisker, der hopper langs katedralens vægge.

Lys kan foretage tusindvis af ture rundt om mikrosfærens omkreds på en brøkdel af et sekund, hvilket får nogle lysfrekvenser til at interagere (eller "interferere") med sig selv for at producere stærkere lys, mens andre frekvenser ophæver sig selv. Denne proces forklarer de usædvanlige stigninger, som Chan og Levy observerede.

Når intensiteten af ​​lys, der bevæger sig rundt om disse perler, når en vis tærskel, lyset kan stimulere emissionen af ​​mere lys med nøjagtig samme farve, og det lys, på tur, kan stimulere endnu mere lys. Denne forstærkning af lys, grundlaget for alle lasere, producerer intenst lys ved et meget snævert bølgelængdeområde i perlerne.

Schuck havde betragtet lanthanid-doterede nanopartikler som potentielle kandidater til mikrolasere, og han blev overbevist om dette, da Chan delte de periodiske hviskegalleridata med ham.

Fernandez-Bravo fandt ud af, at når han udsatte perlerne for en infrarød laser med tilstrækkelig kraft, blev perlerne til opkonverterende lasere, med højere frekvenser end den originale laser.

Han fandt også ud af, at perler kunne producere laserlys ved de laveste kræfter, der nogensinde er registreret til opkonvertering af nanopartikelbaserede lasere.

"De lave tærskler gør det muligt for disse lasere at fungere kontinuerligt i timevis med meget lavere kræfter end tidligere lasere, sagde Fernandez-Bravo.

Andre opkonverterende nanopartikellasere fungerer kun intermitterende; de udsættes kun for korte, kraftige lysimpulser, fordi længere eksponering ville skade dem.

"De fleste nanopartikel-baserede lasere opvarmes meget hurtigt og dør inden for få minutter, " sagde Schuck. "Vores lasere er altid tændt, som giver os mulighed for at justere deres signaler til forskellige applikationer." I dette tilfælde, forskere fandt ud af, at deres mikrolasere fungerede stabilt efter fem timers kontinuerlig brug. "Vi kan tage perlerne fra hylden måneder eller år senere, og de laser stadig, " sagde Fernandez-Bravo.

Forskere undersøger også, hvordan man omhyggeligt kan justere udgangslyset fra de kontinuerligt udsendende mikrolasere ved blot at ændre størrelsen og sammensætningen af ​​perlerne. Og de har brugt et robotsystem på Molecular Foundry kendt som WANDA (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis) til at kombinere forskellige dopingelementer og tune nanopartiklernes ydeevne.

Forskerne bemærkede også, at der er mange potentielle anvendelser for mikrolaserne, såsom ved at kontrollere aktiviteten af ​​neuroner eller optiske mikrochips, sansning af kemikalier, og detektering af miljø- og temperaturændringer.

"Først virkede disse mikrolasere kun i luft, hvilket var frustrerende, fordi vi ønskede at introducere dem i levende systemer, " sagde Cohen. "Men vi fandt et simpelt trick med at dyppe dem i blodserum, som overtrækker perlerne med proteiner, der tillader dem at smelte i vand. Vi har nu set, at disse perler kan fanges sammen med celler i laserstråler og styres med de samme lasere, som vi bruger til at excitere dem."

Den seneste undersøgelse, og de nye studieveje, det har åbnet op for, viser, hvor tilfældigt et uventet resultat kan være, han sagde. "Vi havde lige tilfældigvis den rigtige nanopartikler og belægningsproces til at producere disse lasere, " sagde Schuck.