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

Immaginate una minuscola e perfetta sfera che galleggia in una goccia d'acqua. All'interno di questa sfera, la luce può rimbalzare contro la parete interna, circolando all'infinito come un corridore su una pista. Questo fenomeno, noto come modo di galleria sussurrante (whispering gallery mode), permette alla sfera di agire come un laser, emettendo un fascio di luce molto puro e nitido. Gli scienziati utilizzano da tempo questi microlaser per rilevare cambiamenti nel loro ambiente, come la presenza di una specifica proteina o una variazione di temperatura. Tuttavia, c'è un problema: poiché la sfera è perfettamente rotonda, la luce può circolare in qualsiasi direzione. Se si illumina la sfera con un laser per farla brillare, la luce potrebbe scegliere un percorso che passa sopra la parte superiore, o intorno al lato, o ovunque nel mezzo. Ciò rende difficile prevedere esattamente dove si troverà la luce o utilizzare il laser per misurazioni precise in un ambiente complesso e in movimento, come una cellula vivente.

I ricercatori dell'Università di Colonia hanno ora risolto questo problema creando un nuovo tipo di microlaser sferico che costringe la luce a viaggiare in un unico luogo specifico: l'equatore. Ingegnerizzando la struttura interna della sfera, hanno intrappolato la luce del laser in un singolo piano piatto. Questa scoperta significa che la luce del laser rimarrà sempre in quella banda equatoriale fissa, ma solo se la sfera è orientata correttamente rispetto al fascio di pompaggio. Nello specifico, il lasing avviene in modo più efficiente quando il fascio di pompaggio colpisce la sfera ortogonalmente al suo asse bipolare interno; se il raggio colpisce i poli o si allinea con l'asse bipolare, non viene prodotta luce laser. Questa scoperta apre la porta all'uso di questi minuscoli laser come sensori affidabili e localizzati all'interno di sistemi biologici, dove sapere esattamente dove si trova la luce è importante quanto la luce stessa.

Il team ha ottenuto questo risultato costruendo i loro microlaser partendo da un polimero di cristallo liquido, un materiale che combina l'ordine fluido tipico dei cristalli liquidi con la stabilità solida di una plastica. Sono partiti da una miscela di molecole di cristallo liquido e un colorante speciale che fornisce l'energia per il lasing. Utilizzando un dispositivo microfluidico, hanno formato minuscole goccioline di questa miscela, del diametro di circa 25-30 micrometri. Mentre il solvente evaporava, le goccioline si sono rimpicciolite fino a circa 9 o 10 micrometri. Durante questo processo di contrazione, le molecole di cristallo liquido all'interno si sono disposte naturalmente in un modello bipolare, con le molecole che puntano da un polo all'altro della sfera, proprio come le linee del campo magnetico di un pianeta. Una volta stabilito questo allineamento, i ricercatori hanno utilizzato la luce ultravioletta per indurire le goccioline in microsfere polimeriche solide, bloccando l'orientamento molecolare per sempre.

Questa disposizione interna è la chiave del nuovo comportamento. In una sfera normale, il materiale appare identico in ogni direzione. In queste nuove sfere, il materiale appare diverso a seconda della direzione da cui lo si osserva. Le molecole sono allineate lungo le linee che corrono da polo a polo, creando un indice di rifrazione elevato in quella direzione e uno più basso nella direzione perpendicolare. Quando i ricercatori hanno testato queste sfere, hanno scoperto che la luce poteva larsi solo se la sfera era orientata lateralmente, permettendo alla luce di viaggiare lungo l'equatore dove le onde luminose oscillano parallelamente alla superficie. Se cercavano di pompare il laser dall'alto o dal basso, o se la sfera era orientata in modo che il raggio colpisse i poli, non veniva prodotta alcuna luce laser, solo un debole bagliore. La luce semplicemente non riusciva a trovare un percorso percorribile quando tentava di passare sopra i poli.

I ricercatori hanno confermato questo comportamento posizionando le sfere sotto un microscopio e osservandone il rotolamento. Quando viste lateralmente, le sfere mostravano un motivo ad anello, indicativo dell'allineamento equatoriale. Quando viste dall'alto, mostravano un motivo a croce. Scansionando le sfere con un fascio laser focalizzato, hanno mappato esattamente dove usciva la luce. Hanno scoperto che, per le sfere orientate lateralmente, la luce laser appariva solo come due punti lumini sui lati opposti dell'equatore. Per le sfere orientate con i poli rivolti verso la telecamera, non c'era alcuna luce laser, anche quando i ricercatori usavano molta più energia per cercare di forzarla. Ciò ha dimostrato che il laser è strettamente confinato nel piano equatoriale, ma solo quando la sfera è orientata correttamente.

Un'altra scoperta affascinante è stata che la luce laser non usciva con un unico colore solido. Invece, la linea laser principale si divideva in diverse linee distinte e ravvicinate, come un prisma che scompone la luce bianca in un arcobaleno, ma con dettagli molto più fini. I ricercatori hanno scoperto che queste linee divise corrispondevano a diversi percorsi che la luce poteva intraprendere lungo l'equatore. Poiché la struttura interna della sfera non è perfettamente uniforme in ogni direzione, la luce che viaggia in direzioni leggermente diverse sperimenta proprietà ottiche leggermente diverse. Ciò causa la divisione dell'energia della luce in separati sub-modi. I ricercatori hanno utilizzato modelli informatici per dimostrare che questa divisione avviene perché le onde luminose interagiscono con l'allineamento specifico delle molecole all'interno della sfera. Hanno anche scoperto che l'entità della divisione dipendeva da quanto perfettamente le molecole erano allineate; quando hanno testato sfere realizzate con un cristallo liquido diverso e meno stabile, la divisione era maggiore, suggerendo che l'allineamento nelle loro sfere polimeriche era molto buono ma non perfetto.

Forse la cosa più importante per le applicazioni future è che i ricercatori hanno testato se queste nuove sfere polimeriche fossero sicure per l'uso con le cellule viventi. Hanno posto le sfere in una coltura di cellule di fibroblasti, un comune tipo di cellula animale. Dopo due giorni, le cellule erano sane e le sfere rimanevano intatte e fluorescenti. Al contrario, quando hanno posto goccioline di un materiale standard di cristallo liquido nella stessa coltura, le goccioline si sono dissolte entro un giorno, uccidendo quasi tutte le cellule. Questo risultato suggerisce che, bloccando le molecole di cristallo liquido in un polimero solido, i ricercatori hanno rimosso la tossicità che solitamente impedisce l'uso di questi materiali in biologia.

La capacità di confinare la luce laser in un piano singolo e prevedibile offre un vantaggio significativo rispetto ai tradizionali microlaser sferici, a patto che l'orientamento sia controllato. Nei sistemi precedenti, la luce poteva circolare in qualsiasi piano, rendendo difficile tracciare la posizione del sensore o garantire che stesse misurando il punto giusto in un ambiente complesso. Con questi nuovi laser equatoriali, la regione di rilevamento è fissa e stretta. Ciò consente misurazioni localizzate precise che non dipendono dall'angolo esatto con cui il laser viene pompato, purché la sfera sia orientata lateralmente. I ricercatori suggeriscono che questo potrebbe essere utilizzato per marcare e tracciare strutture specifiche all'interno di una cellula vivente o per misurare forze meccaniche con alta precisione. Poiché la divisione delle linee luminose è sensibile all'ordine interno delle molecole, il laser potrebbe anche fungere da strumento per misurare lo stato fisico del materiale stesso. Combinando un materiale stabile e non tossico con un comportamento ottico altamente prevedibile, questo lavoro fornisce un nuovo strumento per esplorare il mondo microscopico con maggiore chiarezza e affidabilità rispetto al passato.