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

Imagine uma esfera minúscula e perfeita flutuando em uma gota de água. Dentro desta esfera, a luz pode ricochetear na parede interna, circulando incessantemente como um corredor em uma pista. Este fenômeno, conhecido como modo de galeria de sussurros (whispering gallery mode), permite que a esfera atue como um laser, emitindo um feixe de luz muito puro e nítido. Cientistas há muito utilizam esses microlasers para detectar mudanças em seu ambiente, como a presença de uma proteína específica ou uma mudança de temperatura. No entanto, há um problema: como a esfera é perfeitamente redonda, a luz pode circular em qualquer direção. Se você incidir um laser para fazê-la brilhar, a luz pode escolher um caminho que passe pelo topo, ou ao redor da lateral, ou em qualquer lugar entre eles. Isso torna difícil prever exatamente onde a luz estará ou usar o laser para medições precisas em um ambiente complexo e em movimento, como uma célula viva.

Pesquisadores da Universidade de Colônia resolveram agora este problema, criando um novo tipo de microlaser esférico que força a luz a viajar em apenas um lugar específico: o equador. Ao projetar a estrutura interna da esfera com uma estrutura específica, eles aprisionaram a luz do laser em um único plano plano. Esta descoberta significa que a luz do laser sempre permanecerá nessa banda equatorial fixa, mas apenas se a esfera estiver orientada corretamente em relação ao feixe de bombeamento. Especificamente, o lasing ocorre de forma mais eficiente quando o feixe de bombeamento atinge a esfera ortogonalmente ao seu eixo bipolar interno; se o bombeamento atingir os polos ou se alinhar com o eixo bipolar, nenhum laser é produzido. Esta descoberta abre as portas para o uso desses minúsculos lasers como sensores confiáveis e localizados dentro de sistemas biológicos, onde saber exatamente onde a luz está localizada é tão importante quanto a própria luz.

A equipe alcançou isso construindo seus microlasers a partir de um polímero de cristal líquido, um material que combina o ordenamento fluido dos cristais líquidos com a estabilidade sólida de um plástico. Eles começaram com uma mistura de moléculas de cristal líquido e um corante especial que fornece a energia para o lasing. Usando um dispositivo microfluídico, eles formaram pequenas gotas dessa mistura, com aproximadamente 25 a 30 micrômetros de diâmetro. À medida que o solvente evaporava, as gotas encolhiam para cerca de 9 ou 10 micrômetros. Durante esse processo de encolhimento, as moléculas de cristal líquido dentro da esfera naturalmente se organizaram em um padrão bipolar, com as moléculas apontando de um polo a outro da esfera, de forma muito semelhante às linhas do campo magnético de um planeta. Uma vez estabelecido esse alinhamento, os pesquisadores usaram luz ultravioleta para endurecer as gotas em contas de polímero sólidas, travando a organização molecular para sempre.

Esta organização interna é a chave para o novo comportamento. Em uma esfera normal, o material parece igual em todas as direções. Nestas novas contas, o material parece diferente dependendo de como você o observa. As moléculas estão alinhadas ao longo das linhas que correm do polo ao polo, criando um índice de refração alto nessa direção e um índice menor na direção perpendicular. Quando os pesquisadores testaram essas contas, descobriram que a luz só poderia realizar o lasing se a esfera estivesse orientada de lado, permitindo que a luz viajasse ao longo do equador, onde as ondas de luz oscilam paralelas à superfície. Se tentassem bombear o laser pelo topo ou pela base, ou se a conta estivesse orientada de modo que o bombeamento atingisse os polos, nenhuma luz de laser era produzida, apenas um brilho tênue. A luz simplesmente não conseguia encontrar um caminho que funcionasse quando tentava passar pelos polos.

Os pesquisadores confirmaram este comportamento colocando as contas sob um microscópio e observando-as rolar. Quando vistas de lado, as contas mostravam um padrão em forma de anel, indicando o alinhamento equatorial. Quando vistas de cima, mostravam um padrão em forma de cruz. Ao escanear as contas com um feixe de laser focado, eles mapearam exatamente de onde a luz estava saindo. Descobriram que, para contas orientadas de lado, a luz do laser aparecia apenas como dois pontos brilhantes em lados opostos do equador. Para contas orientadas com seus polos voltados para a câmera, não havia luz de laser, mesmo quando os pesquisadores usavam muito mais energia para tentar forçá-la. Isso provou que o laser é estritamente confinado ao plano equatorial, mas apenas quando a esfera está orientada corretamente.

Outra descoberta fascinante foi que a luz do laser não saía como uma única cor sólida. Em vez disso, a linha principal do laser se dividia em várias linhas distintas e próximas, como um prisma decompondo a luz branca em um arco-íris, mas com um detalhamento muito mais fino. Os pesquisadores descobriram que essas linhas divididas correspondiam a diferentes caminhos que a luz poderia percorrer ao longo do equador. Como a estrutura interna da conta não é perfeitamente uniforme em todas as direções, a luz que viaja em direções ligeiramente diferentes experimenta propriedades ópticas ligeiramente diferentes. Isso faz com que a energia da luz se divida em submodos separados. Os pesquisadores usaram modelos computacionais para mostrar que essa divisão acontece porque as ondas de luz estão interagindo com o alinhamento específico das moléculas dentro da conta. Eles também descobriram que a quantidade de divisão dependia de quão perfeitamente as moléculas estavam alinhadas; quando testaram contas feitas de um cristal líquido diferente e menos estável, a divisão era maior, sugerindo que o alinhamento em suas contas de polímero era muito bom, mas não perfeito.

Talvez o mais importante para aplicações futuras, os pesquisadores testaram se essas novas contas de polímero eram seguras para o uso com células vivas. Eles colocaram as contas em uma cultura de células de fibroblastos, um tipo comum de célula animal. Após dois dias, as células estavam saudáveis e as contas permaneceram intactas e fluorescentes. Em contraste, quando colocaram gotas de um material de cristal líquido padrão na mesma cultura, as gotas se dissolveram em um dia e mataram quase todas as células. Este resultado sugere que, ao travar as moléculas de cristal líquido em um polímero sólido, os pesquisadores removeram a toxicidade que normalmente impede o uso desses materiais na biologia.

A capacidade de confinar a luz do laser a um único plano previsível oferece uma vantagem significativa sobre os microlasers esféricos tradicionais, desde que a orientação seja controlada. Em sistemas anteriores, a luz poderia circular em qualquer plano, dificultando o rastreamento da posição do sensor ou a garantia de que ele estava medindo o ponto correto em um ambiente complexo. Com esses lasers equatoriais, a região de detecção é fixa e estreita. Isso permite medições localizadas e precisas que não dependem do ângulo exato em que o laser é bombeado, desde que a esfera esteja orientada de lado. Os pesquisadores sugerem que isso pode ser usado para marcar e rastrear estruturas específicas dentro de uma célula viva ou para medir forças mecânicas com alta precisão. Como a divisão das linhas de luz é sensível à ordem interna das moléculas, o laser também pode atuar como uma ferramenta para medir o estado físico do próprio material. Ao combinar um material estável e não tóxico com um comportamento óptico altamente previsível, este trabalho fornece uma nova ferramenta para sondar o mundo microscópico com maior clareza e confiabilidade do que nunca.