Laserji iz milnih mehurčkov
Potem ko je doc dr. Matjaž Humar iz Laboratorija za biointegrirano fotoniko Odseka za fiziko trdne snovi Instituta »Jožef Stefan« pred devetimi leti v človeško celico prvič vgradil laser, je v zadnji raziskavi skupaj s sodelavko Zalo Korenjak ustvaril laser s pomočjo milnega mehurčka. V raziskavi, ki jo je objavila revija Physical Review X, se je izkazalo, da bi mehurček kot edinstven sistem bil uporaben kot izjemno občutljiv senzor tlaka in električnega polja.
Milni mehurčki so znani po tem, da pritegnejo pozornost pri malčkih. Privlačnost mehurčkov je v veliki meri posledica njihove interakcije s svetlobo. Ko milni mehurčki plešejo po zraku, se lesketajo kot bleščice in med premikanjem spreminjajo odtenke. Ta pojav, znan kot iridescenca, izhaja iz interference svetlobnih valov v milni lupini mehurčka.
Doc. dr. Matjaž Humar in Zala Korenjak sta pokazala, da imajo mehurčki še eno bleščečo uporabo – ustvarjanje barvno nastavljive laserske svetlobe. Dokazala sta, da lahko barvilo, raztopljeno v milni raztopini takšnega mehurčka, ojača svetlobo, ki kroži v sferični lupini, in proizvede lasersko svetlobo. Ta svetloba je vidna kot žareč obroč okoli mehurčka. Takšni “laserji z mehurčki” bi lahko delovali kot natančni senzorji za merjenje atmosferskega tlaka ali za zaznavanje sprememb v električnem polju.
Raziskovalca sta pred tem tudi pokazala, da se lahko laserska svetloba širi znotraj lupine mehurčka in se razveja v nitaste strukture, ki spominjajo na strelo. Svetloba v vsakem od tisočih žarečih filamentov, ki se lahko razvijejo, ostane osredotočena. Ta opažanja so doc. dr. Matjaža Humarja in Zalo Korenjak iz Laboratorija za biontegrirano fotoniko Odseka za fiziko trdne snovi Instituta »Jožef Stefan« in Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani privedla do vprašanja, ali bi mehurček lahko uporabili za ustvarjanje laserske svetlobe. »Druge vrste sferičnih lupin so bile uporabljene kot laserske votline«, pravi Humar, »zato sem se spraševal, ali bi mehurček lahko deloval na ta način.« Najprej sta skušala narediti laserje iz mehurčkov zgolj iz radovednosti, ali je to sploh mogoče. Pozneje v njunih raziskavah pa se je izkazalo, da so laserji iz mehurčkov zaradi svojih edinstvenih lastnosti izjemno primerni tudi za številne aplikacije.
Da so milni mehurčki oddajali lasersko svetlobo, sta jim dodala fluorescenčno barvilo in jih vzbujala z zunanjim laserjem. Svetloba, ki nastane, je ujeta v steni mehurčka in kroži blizu površine, zato mehurček deluje kot laserski resonator. Poleg milnice sta za izdelavo mehurčkov uporabila tudi milu podobne molekule, vendar brez dodatka vode. Natančneje, uporabila sta smektične tekoče kristale, katerih molekule tvorijo dobro določene plasti. Takšni smektični mehurčki so imeli popolnoma enakomerno debelino stene in najpomembneje, bili so izredno stabilni. Mehurčki so bili pritrjeni na konec kapilare ali pa so prosto lebdeli v posodi, napolnjeni z ogljikovim dioksidom. Spekter laserske svetlobe, ki so jo oddajali mehurčki, je bil sestavljen iz več sto enakomerno razmaknjenih ostrih vrhov. Na podlagi spektra oddane laserske svetlobe in njegovega spreminjanja v času sta lahko izmerila tudi le deset nanometrov velike spremembe velikosti milimetrskega mehurčka, kar je 10.000 krat manj od debeline človeškega lasu. Ta izjemna natančnost je omogočila uporabo smektičnih mehurčkov kot enih najbolj občutljivih senzorjev električnega polja in tlaka, razvitih doslej.
Mehurček kot edinstven sistem bi v prihodnosti lahko uporabili tudi kot izjemno občutljiv mikrofon, senzor magnetnega polja in kot platformo za preučevanje zanimivih procesov v tankih plasteh. Na teh tematikah doc. dr. Matjaž Humar s svojimi sodelavkami in sodelavci trenutno nadaljuje raziskave na Institutu »Jožef Stefan«.
Foto: Z. Korenjak and M. Humar
