Физики из Великобритании и Германии разработали поляритонный лазер на основе зеленого флуоресцентного белка, работающий при комнатной температуре. Интересно, что в устройстве используется белок, синтезируемый модифицированными бактериями кишечной палочки, а в природе его аналоги встречаются у некоторых медуз. Ученые предполагают, что лазер может найти применение как в медицинской диагностике, так и в исследовании квантовой интерференции и других коллективных эффектов. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщает Phys.org.

Традиционные лазеры основаны на вынужденном излучении, возникающем, например, при переходе электронов в возбужденном атоме с одного энергетического уровня на другой, соответствующий меньшей энергии. Разница между этими энергиями излучается в виде фотона с определенной длиной волны. Излучение лазеров называется вынужденным, потому что оно запускается взаимодействием возбужденного атома с фотоном извне. 

Для того чтобы добиться высокой мощности, в лазерах используются специальные системы накачки. К примеру, активную среду, в которой происходит возбуждение атомов или других частиц, могут помещать между двумя зеркалами, одно из которых полупрозрачное. Фотоны путешествуя между зеркалами переводят атомы в возбужденное состояние, а некоторая доля излучения покидает лазер. 

В работе лазера есть фундаментальные ограничения — количество электронов, находящихся на возбужденных уровнях, ограничено. На одном и том же уровне не может быть двух одинаковых электронов. В результате этого мощные лазеры обладают небольшой эффективностью возбуждения. Обойти этот запрет можно в других системах — поляритонных лазерах. 

В поляритонных лазерах источником фотонов являются не возбужденные атомы, а квазичастицы, называемые экситонами. Квазичастицами называют специальные объекты, придуманные для описания явлений в твердом теле. За ними скрываются сложные многочастичные процессы, которые с помощью квазичастиц можно свести к сравнительно простым уравнениям. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале.

Экситон — объект, который можно представить себе как дырку («отсутствие электрона»), которая обращается около электрона-квазичастицы. При поглощении фотона экситон превращается в поляритон — частицу, способную испустить фотон обратно под действием внешнего воздействия. Поляритоны в отличие от электронов — бозоны, для них нет такого ограничения, какое существует в системах возбужденных атомов. 

Считается, что из-за бозонной природы лазеры на поляритонах будут гораздо эффективнее, чем традиционные системы. Однако большая часть существующих поляритонных устройств требуют сильного охлаждения — по меньшей мере до –70 градусов Цельсия, а в некоторых случаяхи до температур жидкого гелия. В 2007 году физики из Саутгемптонского университета добились создания лазера, работающего при комнатной температуре, основанного на полупроводниковых материалах. В новой работе авторы добились такого же результата на активной среде из белковых молекул.

Ученые использовали в качестве среды, в которой возникали экситоны, зеленый флуоресцентный белок — eGFP. В лабораторной практике подобные вещества часто используются в качестве меток для различных структур клеток. eGFP представляет собой цилиндр из 11 белковых листов, внутри которого заключен активный центр. В эксперименте белок синтезировали с помощью модифицированных бактерий кишечной палочки.

A — структура eGFP; B — защита активного центра от столкновений; C — зависимость яркости излучения от яркости накачки; D, E — схема лазера, зеркала находятся под небольшим углом для возможности подстройки резонанса; F — атомно-силовая микроскопия белкового слоя; G — спектры поглощения и испускания пленки белка. Christof P. Dietric et al. / Scientific Advances, 2016

Тонкий слой флуоресцентного белка (около 500 нанометров) поместили между двумя зеркальными слоями. Поляритоны возникали в материале при освещении светом с длиной волны в диапазоне 400–500 нанометров (синий свет). В результате возникает излучение с длиной волны 508 нанометров. 

Авторы отмечают, что высокая эффективность и возможность лазера работать при комнатной температуре связана с геометрией белковых молекул. Активные центры в них защищены от внешних воздействий, например, столкновений с другими молекулами, цилиндром из белковых β-листов. Такие столкновения приводят к аннигиляции экситонов, что нарушает работу лазера.

В будущем ученые планируют расширить количество белков, используемых в поляритонных лазерах. Интересно отметить, что коллективное излучение поляритонов — следствие квантового эффекта их конденсации. В результате этого все квазичастицы ведут себя как единое целое. По словам физиков, это позволяет исследовать макроскопические квантовые эффекты и особенности переноса энергии в квантовых системах. 

Для создания лазеров и раньше использовались биологические системы. Например, физики из Гарвардской медицинской школы превратили в лазеры жировые клетки свиньи, внедрив в них микрорезонаторы. Немного других результатов добились индийские ученые — на основе культуры кишечной палочки специалисты разработали источник жесткого рентгеновского излучения.

Автор: Владимир Королёв