Purely equatorial lasing in spherical liquid crystal polymer microlasers with bipolar refractive index profile

Imagina una esfera diminuta y perfecta flotando en una gota de agua. Dentro de esta esfera, la luz puede rebotar en la pared interna, dando vueltas sin cesar como un corredor en una pista. Este fenómeno, conocido como modo de galería de susurros, permite que la esfera actúe como un láser, emitiendo un haz de luz muy puro y definido. Los científicos han utilizado durante mucho tiempo estos microláseres para detectar cambios en su entorno, como la presencia de una proteína específica o un cambio en la temperatura. Sin embargo, hay un inconveniente: debido a que la esfera es perfectamente redonda, la luz puede circular en cualquier dirección. Si se ilumina con un láser para hacerla brillar, la luz podría elegir un camino que pase por la parte superior, o alrededor del costado, o en cualquier punto intermedio. Esto hace que sea difícil predecir exactamente dónde estará la luz o utilizar el láser para realizar mediciones precisas en un entorno complejo y en movimiento, como una célula viva.

Investigadores de la Universidad de Colonia han resuelto ahora este problema creando un nuevo tipo de microláser esférico que obliga a la luz a viajar en un solo lugar específico: el ecuador. Mediante la ingeniería de la estructura interna de la esfera, han logrado atrapar la luz del láser en un plano único y plano. Este avance significa que la luz del láser siempre permanecerá en esa banda ecuatorial fija, pero solo si la esfera está orientada correctamente con respecto al haz de bombeo. Específicamente, la emisión láser ocurre de manera más eficiente cuando el haz de bombeo incide sobre la esfera de forma ortogonal a su eje bipolar interno; si el bombeo golpea los polos o se alinea con el eje bipolar, no se produce luz láser. Este descubrimiento abre la puerta al uso de estos diminutos láseres como sensores fiables y localizados dentro de sistemas biológicos, donde saber exactamente dónde se encuentra la luz es tan importante como la luz misma.

El equipo logró esto construyendo sus microláseres a partir de un polímero de cristal líquido, un material que combina el orden fluido de los cristales líquidos con la estabilidad sólida de un plástico. Comenzaron con una mezcla de moléculas de cristal líquido y un tinte especial que proporciona la energía para la emisión láser. Utilizando un dispositivo microfluídico, formaron diminutas gotas de esta mezcla, de aproximadamente 25 a 30 micrómetros de diámetro. A medida que el solvente se evaporaba, las gotas se encogían hasta alcanzar unos 9 o 10 micrómetros. Durante este proceso de encogimiento, las moléculas de cristal líquido dentro de la esfera se organizaron naturalmente en un patrón bipolar, con las moléculas apuntando de un polo al otro de la esfera, de forma muy similar a las líneas del campo magnético de un planeta. Una vez establecida esta alineación, los investigadores utilizaron luz ultravioleta para endurecer las gotas en perlas de polímero sólidas, fijando la disposición molecular para siempre.

Esta disposición interna es la clave de este nuevo comportamiento. En una esfera normal, el material se ve igual en todas las direcciones. En estas nuevas perlas, el material se ve diferente dependiendo de desde qué dirección se mire. Las moléculas están alineadas a lo largo de las líneas que corren de polo a polo, creando un índice de refracción alto en esa dirección y uno más bajo en la dirección perpendicular. Cuando los investigadores probaron estas perlas, descubrieron que la luz solo podía emitir láser si la esfera estaba orientada de lado, permitiendo que la luz viajara a lo largo del ecuador, donde las ondas de luz oscilan paralelas a la superficie. Si intentaban bombear el láser desde la parte superior o inferior, o si la perla estaba orientada de modo que el bombeo golpeara los polos, no se producía luz láser, solo un tenue brillo. La luz simplemente no podía encontrar un camino que funcionara cuando intentaba pasar por los polos.

Los investigadores confirmaron este comportamiento colocando las perlas bajo un microscopio y observándolas rodar. Al ser vistas de lado, las perlas mostraban un patrón anular, lo que indicaba la alineación ecuatorial. Al ser vistas desde arriba, mostraban un patrón en forma de cruz. Al escanear las perlas con un haz de láser enfocado, mapearon exactamente de dónde salía la luz. Descubrieron que, para las perlas orientadas de lado, la luz del láser aparecía solo como dos puntos brillantes en lados opuestos del ecuador. Para las perlas orientadas con sus polos frente a la cámara, no había luz láser en absoluto, incluso cuando los investigadores utilizaban mucha más energía para intentar forzarla. Esto demostró que el láser está estrictamente confinado al plano ecuatorial, pero solo cuando la esfera está orientada correctamente.

Otro descubrimiento fascinante fue que la luz del láser no salía como un solo color sólido. En su lugar, la línea principal del láser se dividía en varias líneas distintas y estrechamente espaciadas, como un prisma descomponiendo la luz blanca en un arcoíris, pero con un detalle mucho más fino. Los investigadores descubrieron que estas líneas divididas correspondían a diferentes caminos que la luz podía tomar alrededor del ecuador. Debido a que la estructura interna de la perla no es perfectamente uniforme en todas las direcciones, la luz que viaja en direcciones ligeramente diferentes experimenta propiedades ópticas ligeramente distintas. Esto provoca que la energía de la luz se divida en submodos separados. Los investigadores utilizaron modelos computacionales para mostrar que esta división ocurre porque las ondas de luz interactúan con la alineación específica de las moléculas. También descubrieron que la cantidad de división dependía de qué tan perfectamente estaban alineadas las moléculas; cuando probaron perlas hechas de un cristal líquido diferente y menos estable, la división era mayor, lo que sugiere que la alineación en sus perlas de polímero era muy buena, pero no perfecta.

Quizás lo más importante para aplicaciones futuras es que los investigadores probaron si estas nuevas perlas de polímero eran seguras para su uso con células vivas. Colocaron las perlas en un cultivo de células de fibroblastos, un tipo común de célula animal. Después de dos días, las células estaban sanas y las perlas permanecían intactas y fluorescentes. En contraste, cuando colocaron gotas de un material de cristal líquido estándar en el mismo cultivo, las gotas se disolvieron en un día y mataron a casi todas las células. Este resultado sugiere que, al bloquear las moléculas de cristal líquido en un polímero sólido, los investigadores han eliminado la toxicidad que normalmente impide que estos materiales se utilicen en biología.

La capacidad de confinar la luz láser en un plano único y predecible ofrece una ventaja significativa sobre los microláseres esféricos tradicionales, siempre que se controle la orientación. En sistemas anteriores, la luz podía circular en cualquier plano, lo que dificultaba el seguimiento de la posición del sensor o asegurar que estuviera midiendo el punto correcto en un entorno complejo. Con estos láseres ecuatoriales, la región de detección es fija y estrecha. Esto permite realizar mediciones localizadas y precisas que no dependen del ángulo exacto con el que se bombea el láser, siempre que la esfera esté orientada de lado. Los investigadores sugieren que esto podría utilizarse para etiquetar y rastrear estructuras específicas dentro de una célula viva o para medir fuerzas mecánicas con alta precisión. Debido a que la división de las líneas de luz es sensible al orden interno de las moléculas, el láser también podría actuar como una herramienta para medir el estado físico del material mismo. Al combinar un material estable y no tóxico con un comportamiento óptico altamente predecible, este trabajo proporciona una nueva herramienta para la detección del mundo microscópico con mayor claridad y fiabilidad que nunca.