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

Imaginez une minuscule et parfaite sphère flottant dans une goutte d'eau. À l'intérieur de cette sphère, la lumière peut rebondir sur la paroi interne, tournant sans fin comme un coureur sur une piste. Ce phénomène, connu sous le nom de mode de galerie de murmures (whispering gallery mode), permet à la sphère de fonctionner comme un laser, émettant un faisceau de lumière très pur et net. Les scientifiques utilisent depuis longtemps ces micro-lasers pour détecter les changements de leur environnement, tels que la présence d'une protéine spécifique ou une variation de température. Cependant, il y a un inconvénient : comme la sphère est parfaitement ronde, la lumière peut circuler dans n'importe quelle direction. Si vous éclairez un laser pour la faire briller, la lumière peut choisir un chemin passant par le haut, par le côté, ou n'importe où entre les deux. Cela rend difficile la prédiction de l'endroit exact où se trouvera la lumière ou l'utilisation du laser pour des mesures précises dans un environnement complexe et en mouvement, comme une cellule vivante.

Des chercheurs de l'Université de Cologne ont désormais résolu ce problème en créant un nouveau type de microlaser sphérique qui force la lumière à voyager dans un seul endroit spécifique : l'équateur. En modifiant la structure interne de la sphère, ils ont piégé la lumière du laser dans un plan plat unique. Cette percée signifie que la lumière du laser restera toujours dans cette bande équatoriale fixe, mais seulement si la sphère est orientée correctement par rapport au faisceau de pompage. Plus précisément, l'émission laser se produit de la manière la plus efficace lorsque le faisceau de pompage frappe la sphère perpendiculairement à son axe bipolaire interne ; si le faisceau frappe les pôles ou s'aligne avec l'axe bipolaire, aucune lumière laser n'est produite. Cette découverte ouvre la voie à l'utilisation de ces minuscules lasers comme capteurs fiables et localisés à l'intérieur de systèmes biologiques, où savoir exactement où se situe la lumière est tout aussi important que la lumière elle-même.

L'équipe y est parvenue en fabriquant leurs microlasers à partir d'un polymère de cristal liquide, un matériau qui combine l'ordre fluide des cristaux liquides avec la stabilité solide d'un plastique. Ils ont commencé avec un mélange de molécules de cristal liquide et d'un colorant spécial qui fournit l'énergie nécessaire au laser. À l'aide d'un dispositif microfluidique, ils ont formé de minuscules gouttelettes de ce mélange, d'environ 25 à 30 micromètres de diamètre. À mesure que le solvant s'évaporait, les gouttelettes ont rétréci pour atteindre environ 9 ou 10 micromètres. Pendant ce processus de rétrécissement, les molécules de cristal liquide à l'intérieur se sont naturellement organisées selon un motif bipolaire, les molécules pointant d'un pôle de la sphère vers l'autre, un peu comme les lignes de champ magnétique d'une planète. Une fois cet alignement établi, les chercheurs ont utilisé la lumière ultraviolette pour durcir les gouttelettes en billes de polymère solides, verrouillant ainsi l'arrangement moléculaire pour toujours.

Cet arrangement interne est la clé de ce nouveau comportement. Dans une sphère normale, le matériau semble identique dans toutes les directions. Dans ces nouvelles billes, le matériau paraît différent selon l'angle sous lequel on le regarde. Les molécules sont alignées le long de lignes allant de pôle à pôle, créant un indice de réfraction élevé dans cette direction et un indice plus faible dans la direction perpendiculaire. Lorsque les chercheurs ont testé ces billes, ils ont constaté que la lumière ne pouvait lasser que si la sphère était orientée sur le côté, permettant à la lumière de voyager le long de l'équateur là où les ondes lumineuses oscillent parallèlement à la surface. S'ils tentaient de pomper le laser depuis le haut ou le bas, ou si la bille était orientée de sorte que le pompage frappait les pôles, aucune lumière laser n'était produite, seulement une lueur diffuse. La lumière ne parvenait tout simplement pas à trouver un chemin viable lorsqu'elle tentait de passer par les pôles.

Les chercheurs ont confirmé ce comportement en plaçant les billes sous un microscope et en les observant rouler. Lorsqu'elles étaient vues de côté, les billes montraient un motif annulaire, indiquant l'alignement équatorial. Lorsqu'elles étaient vues du dessus, elles montraient un motif en forme de croix. En balayant les billes avec un faisceau laser focalisé, ils ont cartographié exactement l'endroit d'où la lumière sortait. Ils ont découvert que pour les billes orientées sur le côté, la lumière du laser n'apparaissait que sous la forme de deux points brillants sur des côtés opposés de l'équateur. Pour les billes orientées avec leurs pôles face à la caméra, il n'y avait aucune lumière laser, même lorsque les chercheurs utilisaient beaucoup plus d'énergie pour tenter de la forcer. Cela prouvait que le laser est strictement confiné au plan équatorial, mais seulement lorsque la sphère est correctement orientée.

Une autre découverte fascinante fut que la lumière du laser ne sortait pas sous une couleur unique et solide. Au lieu de cela, la ligne laser principale se divisait en plusieurs lignes distinctes et étroitement espacées, comme un prisme décomposant la lumière blanche en un arc-en-ciel, mais avec un détail beaucoup plus fin. Les chercheurs ont découvert que ces lignes divisées correspondaient à différents chemins que la lumière pouvait emprunter autour de l'équateur. Comme la structure interne de la bille n'est pas parfaitement uniforme dans toutes les directions, la lumière voyageant dans des directions légèrement différentes subit des propriétés optiques légèrement différentes. Cela provoque la division de l'énergie de la lumière en plusieurs sous-modes distincts. Les chercheurs ont utilisé des modèles informatiques pour montrer que cette division se produit car les ondes lumineuses interagissent avec l'alignement spécifique des molécules à l'intérieur de la bille. Ils ont également constaté que l'ampleur de la division dépendait de la perfection de l'alignement des molécules ; lorsqu'ils ont testé des billes fabriquées à partir d'un cristal liquide différent et moins stable, la division était plus importante, ce qui suggère que l'alignement dans leurs billes polymères était très bon, mais pas parfait.

Peut-être plus important encore pour les applications futures, les chercheurs ont testé si ces nouvelles billes polymères étaient sûres pour une utilisation avec des cellules vivantes. Ils ont placé les billes dans une culture de cellules de fibroblastes, un type courant de cellule animale. Après deux jours, les cellules étaient saines et les billes étaient restées intactes et fluorescentes. En revanche, lorsqu'ils ont placé des gouttelettes d'un matériau de cristal liquide standard dans la même culture, les gouttelettes se sont dissoutes en un jour et ont tué presque toutes les cellules. Ce résultat suggère qu'en verrouillant les molécules de cristal liquide dans un polymère solide, les chercheurs ont éliminé la toxicité qui empêche habituellement l'utilisation de ces matériaux en biologie.

La capacité de confiner la lumière laser dans un plan unique et prévisible offre un avantage significatif par rapport aux microlasers sphériques traditionnels, à condition que l'orientation soit contrôlée. Dans les systèmes précédents, la lumière pouvait circuler dans n'importe quel plan, ce qui rendait difficile le suivi de la position du capteur ou la garantie qu'il mesurait le bon endroit dans un environnement complexe. Avec ces lasers équatoriaux, la zone de détection est fixe et étroite. Cela permet des mesures localisées précises qui ne dépendent pas de l'angle exact sous lequel le laser est pompé, tant que la sphère est orientée sur le côté. Les chercheurs suggèrent que cela pourrait être utilisé pour marquer et suivre des structures spécifiques à l'intérieur d'une cellule vivante ou pour mesurer des forces mécaniques avec une grande précision. Comme la division des lignes lumineuses est sensible à l'ordre interne des molécules, le laser pourrait également servir d'outil pour mesurer l'état physique du matériau lui-même. En combinant un matériau stable et non toxique avec un comportement optique hautement prévisible, ce travail fournit un nouvel outil pour sonder le monde microscopique avec une clarté et une fiabilité accrues.