Международная группа ученых из Швейцарии и Германии разработала поляритонный лазер на основе зеленого флуоресцентного белка (GFP), работающий при комнатной температуре. Результаты исследования опубликованы в Science Advances.
Действие поляритонного лазера основано на рассеянии пар поляритонов — составных квазичастиц, возникающих при взаимодействии фотонов с экситонами. В отличие от твердотельных лазеров поляритонный требует меньших энергозатрат, поскольку не предполагает усиления света за счет вынужденного излучения. Первоначально такие лазеры работали при криогенных температурах — -73 градусах по Цельсию, это было необходимо для стабилизации экситонных состояний. При этом охлаждение делало технологию дорогостоящей и более трудоемкой в реализации.
В 2007 году исследователи из Великобритании и Швейцарии разработали прототип поляритонного лазера, который может работать при 26 градусах по Цельсию. В такой установке полупроводник образовывал микрорезонаторную структуру, в которой слой нитрида галлия (GaN) толщиной в несколько сотен нанометров был размещен между двумя слоями отражающего материала. В качестве рабочей среды для формирования поляритонов GaN был выбран благодаря его высокой энергии связи экситонов. В новой работе ученые использовали вместо GaN белок, ранее выделенный из медузы Aequorea victoria.
Для повышения интенсивности флуоресценции GFPs были предварительно модифицированы. Затем белки собирались в нанометровые цилиндры, каждый из которых состоял из 11 атомных слоев. Флуоресцирующая часть молекулы при этом располагалась в центре цилиндра, что препятствовало разрушению экситонных состояний в результате столкновения друг с другом. После этого авторы сконструировали лазерный резонатор, поместив пленку с цилиндрами толщиной в 500 нанометров между двумя отражающими материалами.
По мнению ученых, такой подход позволяет создать поляритонный лазер, более совместимый с медицинскими задачами. В настоящее время GFP широко применяется как светящаяся метка в клеточной и молекулярной биологии — это соответствует ключевому назначению поляритонных лазеров. В частности, они могут использоваться для эффективных разметки раковых клеток и мониторинга клеточных изменений. Вместо нескольких цветов поляритонные лазеры помогут создать около 5 тысяч различных меток в зависимости от длин световых волн.
