Фізики розробили лазер на флуоресцентних білках медуз

Фізики з Великобританії та Німеччини розробили поляритонний лазер на основі зеленого флуоресцентного білка, що працює при кімнатній температурі. Цікаво, що в пристрої використовується білок, що синтезується модифікованими бактеріями кишкової палички, а в природі його аналоги зустрічаються у деяких медуз. Вчені припускають, що лазер може знайти застосування як в медичній діагностиці, так і в дослідженні квантової інтерференції та інших колективних ефектів. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє Phys.org.

Традиційні лазери засновані на вимушеному випромінюванні, що виникає, наприклад, при переході електронів у збудженому атомі з одного енергетичного рівня на інший, відповідний меншій енергії. Різниця між цими енергіями випромінюється у вигляді фотона з певною довжиною хвилі. Випромінювання лазерів називається вимушеним, тому що воно запускається взаємодією збудженого атома з фотоном ззовні.

Для того щоб домогтися високої потужності, в лазерах використовуються спеціальні системи накачування. Наприклад, активне середовище, в якому відбувається збудження атомів або інших частинок, можуть поміщати між двома дзеркалами, одне з яких напівпрозоре. Фотони подорожуючи між дзеркалами переводять атоми в збуджений стан, а деяка частка випромінювання залишає лазер.

У роботі лазера є фундаментальні обмеження - кількість електронів, що знаходяться на порушених рівнях, обмежена. На одному і тому ж рівні не може бути двох однакових електронів. У результаті цього потужні лазери мають невелику ефективність збудження. Обійти цю заборону можна в інших системах - поляритонних лазерах.

У поляритонних лазерах джерелом фотонів є не збуджені атоми, а квазічастинки, звані ексітонами. Квазічастинками називають спеціальні об'єкти, придумані для опису явищ у твердому тілі. За ними ховаються складні багаточастичні процеси, які за допомогою квазічастинок можна звести до порівняно простих рівнянь. Детальніше про це можна прочитати в нашому матеріалі.

Ексітон - об'єкт, який можна уявити собі як дірку («відсутність електрону»), яка звертається біля електрона-квазічастинки. При поглинанні фотона ексітон перетворюється на поляритон - частинку, здатну випустити фотон назад під дією зовнішнього впливу. Поляритони на відміну від електронів - бозони, для них немає такого обмеження, яке існує в системах збуджених атомів.

Вважається, що через бозонну природу лазери на поляритонах будуть набагато ефективнішими, ніж традиційні системи. Однак більшість існуючих поляритонних пристроїв потребують сильного охолодження - щонайменше до -70 градусів Цельсія, а в деяких випадках і до температур рідкого гелію. У 2007 році фізики з Саутгемптонського університету домоглися створення лазера, що працює при кімнатній температурі, заснованого на напівпровідникових матеріалах. У новій роботі автори досягли такого ж результату на активному середовищі з білкових молекул.

Вчені використовували як середовище, в якому виникали ексітони, зелений флуоресцентний білок - eGFP. У лабораторній практиці подібні речовини часто використовуються як мітки для різних структур клітин. eGFP являє собою циліндр з 11 білкових аркушів, всередині якого укладено активний центр. В експерименті білок синтезували за допомогою модифікованих бактерій кишкової палички.

Тонкий шар флуоресцентного білка (близько 500 нанометрів) помістили між двома дзеркальними шарами. Поляритони виникали в матеріалі при освітленні світлом з довжиною хвилі в діапазоні 400-500 нанометрів (синє світло). У результаті виникає випромінювання з довжиною хвилі 508 нанометрів.

Автори відзначають, що висока ефективність і можливість лазера працювати при кімнатній температурі пов'язана з геометрією білкових молекул. Активні центри в них захищені від зовнішніх впливів, наприклад, зіткнень з іншими молекулами, циліндром з білкових лід-листів. Такі сутички призводять до аннігіляції екситонів, що порушує роботу лазера.

У майбутньому вчені планують розширити кількість білків, що використовуються в поляритонних лазерах. Цікаво відзначити, що колективне випромінювання поляритонів - наслідок квантового ефекту їх конденсації. В результаті цього всі квазічастинки поводяться як єдине ціле. За словами фізиків, це дозволяє дослідити макроскопічні квантові ефекти та особливості перенесення енергії в квантових системах.

Для створення лазерів і раніше використовувалися біологічні системи. Наприклад, фізики з Гарвардської медичної школи перетворили на лазери жирові клітини свині, впровадивши в них мікрорезонатори. Трохи інших результатів домоглися індійські вчені - на основі культури кишкової палички фахівці розробили джерело жорсткого рентгенівського випромінювання.