Управление лазерами с помощью «танцующей» ДНК
Международная исследовательская группа из Наньянского технологического университета (Сингапур) продемонстрировала концепцию переключаемого микролазера, используя процесс гибридизации органической биомолекулы ДНК.
До сих пор переключение в оптике достигалось сложным изготовлением устройств или физическими методами. В отличие от этого, биосовместимые интерфейсы, реагирующие на стимулы, используют биологические системы и распознавание, что позволяет реализовать более высокий уровень функциональности.
Команда под руководством профессора Юй-Ченга Чэня разработала новый метод переключения лазерного излучения путем внедрения ДНК в оптический микрорезонатор. Использовалась микрополость Фабри-Перо, состоящая из двух диэлектрических зеркал, в которую в качестве оптического усиления вводились жидкие кристаллы, легированные красителем.
Сильное взаимодействие света с веществом в микрорезонаторе позволяет усиливать тонкие изменения в полости и матрице жидких кристаллов. Молекула жидкого кристалла меняет ориентацию с гомеотропной на планарную, когда одноцепочечная ДНК (ssDNA) адсорбируется на катионном монослое матрицы. Это изменение ориентации приводит к синему сдвигу длины волны лазерного излучения с выраженным усилением сигнала. Длина волны может быть возвращена в исходное состояние при связывании с комплементарной цепью в процессе гибридизации ДНК.
«Мы использовали это особое взаимодействие ДНК с жидким кристаллом в качестве переключающей силы, чтобы изменить ориентацию кристаллов в микрополости Фабри-Перо, и добились переключения лазерного излучения на разных длинах волн», — пояснил профессор Чэнь.
Экспериментальные и теоретические исследования показали, что сила поглощения активной среды является ключевым механизмом, определяющим поведение сдвига лазера.
«Значение этой работы — во введении концепции использования органических биомолекул для переключения когерентных источников света на разных длинах волн. Это веха в создании биологически управляемого лазера», — отметил Чэнь.
Исследование открывает путь к разработке программируемых фотонных устройств субнанометрового масштаба, использующих сложность и самораспознавание биомолекул. В будущем эта способность к специфическому молекулярному распознаванию может найти применение в кодировании информации и хранении данных с помощью лазерного света.
Работа опубликована в журнале ACS Nano.