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

물방울 속에 떠 있는 아주 작고 완벽한 구체를 상상해 보십시오. 이 구체 내부에서는 빛이 안쪽 벽을 따라 뱅글뱅글 돌며, 마치 트랙 위를 달리는 주자처럼 끝없이 순환할 수 있습니다. '위스퍼링 갤러리 모드(whispering gallery mode)'라고 알려진 이 현상은 구체가 매우 순수하고 날카로운 빛의 빔을 방출하는 레이저 역할을 할 수 있게 해줍니다. 과학자들은 오랫동안 이 미세한 레이저를 사용하여 특정 단백질의 존재나 온도의 변화와 같은 주변 환경의 변화를 감지하는 데 사용해 왔습니다. 하지만 한 가지 문제가 있습니다. 구체가 완벽하게 둥글기 때문에 빛은 어느 방향으로든 회전할 수 있다는 점입니다. 만약 당신이 구체를 빛나게 하기 위해 레이저를 쏜다면, 빛은 꼭대기 위로 지나가거나, 옆면을 돌거나, 혹은 그 사이의 어느 곳이든 선택하여 이동할 수 있습니다. 이로 인해 빛이 정확히 어디에 위치할지 예측하거나, 살아있는 세포와 같이 복잡하고 움직이는 환경에서 레이저를 정밀하게 사용하는 것이 어려워집니다.

쾰른 대학교의 연구진은 빛이 오직 한 특정한 장소, 즉 적도만을 따라 이동하도록 강제하는 새로운 유형의 구형 마이크로레이저를 만들어 이 문제를 해결했습니다. 구체 내부의 물질을 특정 구조를 갖도록 설계함으로써, 그들은 레이저 빛을 단 하나의 평평한 평면에 가두는 데 성공했습니다. 이 돌파구는 레이서 빛이 항상 고정된 적도 띠에 머물게 한다는 것을 의미하지만, 이는 구체가 펌프 빔에 대해 올바르게 방향이 잡혀 있을 때만 가능합니다. 구체적으로, 펌프 빔이 구체의 내부 양극 축에 수직으로 부딪힐 때 레이징(lasing)이 가장 효율적으로 일어나며, 만약 펌프가 극점에 닿거나 양극 축과 일치하게 되면 레이저 빛은 생성되지 않습니다. 이 발견은 이 작은 레이저들을 생물학적 시스템 내부에서 신뢰할 수 있고 국소화된 센서로 사용할 수 있는 길을 열어주었으며, 여기서 빛이 정확히 어디에 위치하는지를 아는 것은 빛 자체만큼이나 중요합니다.

연구팀은 액정 폴리머로 이 마이크로레이저를 제작하여 이를 달성했습니다. 이 물질은 액정의 유동적인 질서와 플라스틱의 고체적 안정성을 결합한 것입니다. 그들은 액정 분자 혼합물과 레이징에 에너지를 제공하는 특수 염료를 사용했습니다. 미세유체 장치를 사용하여 약 2530 마이크로미터 직경의 이 혼합물 방울들을 형성했습니다. 용매가 증발함에 따라 방울들은 약 910 마이크로미터 크기로 줄어들었습니다. 이 수축 과정 동안, 내부의 액정 분자들은 마치 행성의 자기력선처럼 한쪽 극에서 다른 쪽 극으로 향하는 양극 패턴으로 자연스럽게 배열되었습니다. 일단 이 정렬이 설정되면, 연구진은 자외선을 사용하여 방울을 단단한 폴리머 비드로 경화시켜 이 분자 배열을 영구적으로 고정했습니다.

이 내부 배열이 새로운 동작의 핵심입니다. 일반적인 구체에서는 물질이 모든 방향에서 동일하게 보입니다. 하지만 이 새로운 비드들은 보는 방향에 따라 다르게 보입니다. 분자들이 극에서 극으로 이어지는 선을 따라 정렬되어 있어, 그 방향으로는 높은 굴절률을 가지며 그에 수직인 방향으로는 낮은 굴절률을 가집니다. 연구진이 이 비드들을 테스트했을 때, 빛이 표면에 평행하게 진동하는 적도를 따라 이동할 때만 레이징이 가능하다는 것을 발견했습니다. 만약 위나 아래에서 펌핑을 시도하거나, 비드가 극을 향하도록 배치되어 펌프가 극에 부딪히게 되면, 레이저 빛은 생성되지 않고 희미한 빛만 나타났습니다. 빛이 극 위를 지나가려고 할 때 작동하는 경로를 찾을 수 없었기 때문입니다.

연구진은 비드를 현미경 아래에 두고 굴러가는 모습을 관찰함으로써 이 동작을 확인했습니다. 측면에서 보았을 때, 비드들은 적도 정렬을 나타내는 고리 모양의 패턴을 보여주었습니다. 위에서 보았을 때, 비드들은 십자 모양의 패턴을 보여주었습니다. 초점이 맞춰진 레이저 빔으로 비드를 스캔하여 레이저 빛이 정확히 어디에서 나오는지 매핑했습니다. 그들은 비드가 옆으로 놓여 있을 때, 레이저 빛이 적도의 반대편 두 지점에서 밝은 점으로 나타난다는 것을 발견했습니다. 만약 비드의 극이 카메라를 향하도록 배치된다면, 연구진이 더 많은 에너지를 쏟아부어 강제로 작동시키려 해도 레이저 빛이 전혀 나타나지 않았습니다. 이는 레이저가 엄격하게 적도 평면에 갇혀 있지만, 구체가 올바르게 방향이 잡혀 있을 때만 가능하다는 것을 입증했습니다.

또 다른 흥고한 발견은 레이저 빛이 단일한 색상으로 나오지 않는다는 점이었습니다. 대신, 메인 레이저 라인은 마치 프리즘이 백색광을 무지개로 나누듯 훨씬 더 세밀하게 여러 개의 뚜렷하고 조밀한 선들로 갈라졌습니다. 연구진은 이 갈라진 선들이 적도를 따라 빛이 갈 수 있는 서로 다른 경로들에 대응한다는 것을 발견했습니다. 비드의 내부 구조가 모든 방향에서 완벽하게 균일하지 않기 때문에, 약간 다른 방향으로 이동하는 빛은 약간씩 다른 광학적 특성을 경험하게 됩니다. 이로 인해 빛의 에너지가 별개의 하위 모드(sub-modes)로 분리됩니다. 연구진은 컴퓨터 모델을 통해 이러한 분리가 빛의 파동이 비드 내부의 특정 분자 정렬과 상호작용하기 때문에 발생한다는 것을 보여주었습니다. 또한, 분리되는 정도가 분자들의 정렬이 얼마나 완벽한지에 달려 있다는 것도 발견했습니다. 덜 안정적인 다른 액정으로 만든 비드를 테스트했을 때 분리가 더 크게 나타났는데, 이는 그들의 폴리머 비드 내의 정렬이 매우 우수하지만 완벽하지는 않음을 시사합니다.

가장 중요한 응용 분야로서, 연구진은 이 새로운 폴리머 비드들이 살아있는 세포에 사용하기에 안전한지 테스트했습니다. 그들은 흔한 동물 세포의 일종인 섬유아세포 배양액에 비드를 넣었습니다. 이틀 후, 세포들은 건강했고 비드는 온전하며 형광을 유지하고 있었습니다. 반면, 표준 액정 물질의 방울들을 동일한 배양액에 넣었을 때, 방울들은 하루 만에 녹아 없어졌고 거의 모든 세포를 죽게 만들었습니다. 이 결과는 액정 분자들을 고체 폴리머로 고정함으로써, 연구진이 이러한 물질의 사용을 막는 독성을 제거했음을 시사합니다.

레이저 빛을 단 하나의 예측 가능한 평면에 가둘 수 있는 능력은, 방향 제어가 가능하다는 전제하에 기존의 구형 마이크로레이저보다 큰 이점을 제공합니다. 이전의 시스템에서는 빛이 어떤 평면에서든 회전할 수 있었기에, 복잡한 환경에서 센서의 위치를 추적하거나 정확한 지점을 측정하는 것이 어려웠습니다. 이 새로운 적도 레이저를 사용하면, 센싱 영역이 고정되고 좁아집니다. 이는 구체가 옆으로 방향이 잡혀 있는 한, 레이저가 펌핑되는 정확한 각도에 의존하지 않고도 정밀하고 국소적인 측정을 가능하게 합니다. 연구진은 이것이 살아있는 세포 내부의 특정 구조를 태그하고 추적하거나, 기계적 힘을 매우 정밀하게 측정하는 데 사용될 수 있다고 제안합니다. 또한 빛의 선이 갈라지는 정도가 내부 분자의 질서에 민감하기 때문에, 이 레이저는 물질 자체의 물리적 상태를 측정하는 도구로도 쓰일 수 있습니다. 안정적이고 독성이 없는 물질을 결와 고도로 예측 가능한 광학적 동작을 결합함으로써, 이 연구는 미시 세계를 그 어느 때보다 명확하고 신뢰성 있게 감지할 수 있는 새로운 도구를 제공합니다.