Las proteínas fluorescentes de medusas que se cultivaron en bacterias se han utilizado para crear un láser por primera vez, de acuerdo con un nuevo estudio.
El avance representa un gran avance en los llamados rayos láser polariton, según los investigadores. Estos láseres tienen el potencial de ser mucho más eficientes y compactos que los convencionales y podría abrir nuevas vías de investigación en física cuántica y la computación óptica, dijeron los investigadores.
Los láseres polariton tradicionales que utilizan semiconductores inorgánicos tienen que ser enfriados a temperaturas increíblemente bajas. Los diseños más recientes basados en materiales orgánicos de electrónica, como los utilizados en las pantallas orgánicas emisores de luz de diodo (OLED), operan a temperatura ambiente, pero necesitan ser impulsados por picosegundos (una billonésima de segundo) pulsos de luz.
Por la reutilización de las proteínas fluorescentes que han revolucionado imágenes biomédicas, y han permitido a los científicos monitorear los procesos dentro de las células, el equipo creó un láser polariton que opera a temperatura ambiente impulsado por pulsos de nanosegundos - sólo mil millonésimas de segundo.
"Pulsos de picosegundos de una energía adecuada son aproximadamente mil veces más difícil de hacer que los pulsos de nanosegundos, por lo que realmente simplifica la toma de estos láseres polariton de forma significativa", dijo Malte Gather, profesor en la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de St. Andrews en Escocia y uno de los inventores del láser.
Una ilustración esquemática de un láser polariton de proteína fluorescente en acción. Las partículas hechas de una mezcla de energía de la luz y electrónica se crean en una película de proteína verde fluorescente producida por las células vivas.Crédito: Dietrich / Höfling / Group
Gather dijo que las proteínas fluorescentes se han utilizado como un marcador en las células vivas o tejido vivo antes, pero ahora los investigadores la han empezado a utilizar como un material. "Este trabajo demuestra por primera vez que su estructura molecular es realmente favorable para la operación con un brillo alto - como se requiere, por ejemplo, para convertirlos en láseres", dijo.
Bacterias genéticamente modificadas
Se reunieron colegas de la Universidad de Würzburg y la Universidad Técnica de Dresde, tanto en Alemania, la ingeniería genética E. bacterias coli para producir aumento de proteína verde fluorescente (EGFP).
Los investigadores llenaron microcavidades ópticas con esta proteína antes de someterlas a "bombeo óptico", donde se utilizan nanosegundos destellos de luz para llevar el sistema a la necesaria energía para crear la luz láser .
Es importante destacar que, después de alcanzar el umbral de acción láser polariton, bombeando más energía en el dispositivo dado lugar a la acción láser convencional. Esto contribuye a confirmar la primera emisión se debió a la acción láser polariton, se reúnen dicho, que es algo que otros enfoques que utilizan materiales orgánicos no han sido capaces de demostrar hasta el momento.
Los láseres convencionales crean sus haces intensos tomando ventaja del hecho de que los fotones pueden ser amplificados por átomos excitados en el láser es la llamada "ganancia media". Esto se hace típicamente a partir de materiales inorgánicos, tales como gafas, cristales o basados en galio semiconductores .
La luz láser polariton es casi indistinguible de luz láser convencional, pero el proceso físico que crea se basa en un fenómeno cuántico para amplificar la luz.
Absorción y re-emisión de fotones por átomos o moléculas repetidas en el medio de ganancia da lugar a cuasi-partículas llamadas polaritonas. En ciertas condiciones - antes de que se alcance el nivel de energía necesario para la acción láser convencional - los polaritonas sincronizan en una articulación estado cuántico llamado condensado, que emite luz láser.
Los láseres convencionales requieren más de la mitad de los átomos en el medio de ganancia para entrar en un estado excitado antes de producir luz láser.Este no es el caso en los láseres de polariton, lo que significa que, en teoría, que requieren menos energía para ser bombeado en el sistema, según los investigadores.
innovaciones láser
De acuerdo con Reunir, una de las principales ventajas de este nuevo enfoque es que la parte de emisión de luz de las moléculas de proteína está protegido dentro de una carcasa cilíndrica a escala nanométrica, lo que les impide interferir unos con otros.
Esto soluciona un problema importante que ha plagado a los diseños anteriores, dijo Stéphane Kena-Cohen, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Física en Polytechnique de Montreal en Canadá, que ha trabajado en los láseres de polariton orgánicos, pero no participó en el nuevo estudio.
"Esto permite que el láser para operar con pulsos de la bomba mucho más largos, que son más fáciles de generar y permite implementaciones más simples," Kena-Cohen dijo Live Science. "Por el momento, aún quedan muchos retos para este tipo de láseres para ser útil debido a que el [excitación] umbral es tan alto, pero son una plataforma fascinante para estudiar física que normalmente ocurren únicamente a temperaturas ultrabajas."
Reunir dijo que la física fundamental sugiere mejoras en el diseño, finalmente, deben permitir que los láseres de polariton con umbrales considerablemente más bajos que los convencionales, lo que les permite ser mucho más eficiente y compacto.
Esto hace que el nuevo estudio prometedor para el campo de la computación óptica, dijo, y un pequeño láser basado en biomateriales también podría potencialmente ser implantado en el cuerpo humano para aplicaciones médicas. Mientras tanto, agregó que son un modelo útil para la investigación de las cuestiones fundamentales de la física cuántica.
Los resultados del nuevo estudio fueron publicados en línea hoy (19 de Agosto) en la revista Advances Ciencia .
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