Image de micrographie électronique à balayage (à gauche) d'une bille de polystyrène de 5 microns de diamètre recouverte de nanoparticules, et une image de micrographie électronique à transmission (à droite) qui montre une coupe transversale d'un cordon, avec des nanoparticules le long de sa surface externe. La barre d'échelle à gauche est de 1 micron, et la barre d'échelle à droite est de 20 nanomètres. Crédit :Angel Fernandez-Bravo/Berkeley Lab
Les chercheurs ont trouvé un moyen de convertir des billes microscopiques recouvertes de nanoparticules en lasers plus petits que les globules rouges.
Ces microlasers, qui convertissent la lumière infrarouge en lumière à des fréquences plus élevées, sont parmi les plus petits lasers à émission continue de leur genre jamais signalés et peuvent émettre de la lumière de manière constante et stable pendant des heures à la fois, même lorsqu'il est immergé dans des fluides biologiques tels que le sérum sanguin.
La nouveauté, découvert par une équipe internationale de scientifiques du laboratoire Lawrence Berkeley du département américain de l'Énergie (Berkeley Lab), ouvre la possibilité d'imager ou de contrôler l'activité biologique avec la lumière infrarouge, et pour la fabrication de puces informatiques à base de lumière. Leurs conclusions sont détaillées dans un rapport publié en ligne le 18 juin dans Nature Nanotechnologie .
Les propriétés uniques de ces lasers, qui mesurent 5 microns (millionièmes de mètre) de diamètre, ont été découverts par accident alors que les chercheurs étudiaient le potentiel des billes de polymère (plastique), composé d'une substance translucide appelée colloïde, à utiliser en imagerie cérébrale.
Ange Fernandez-Bravo, chercheur postdoctoral à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, qui était l'auteur principal de l'étude, mélangé les billes avec des nanoparticules de fluorure d'yttrium de sodium "dopées, " ou intégré, avec du thulium, un élément appartenant à un groupe de métaux appelés lanthanides. La Fonderie Moléculaire est un centre de recherche en nanosciences ouvert aux chercheurs du monde entier.
Emory Chan, un scientifique à la fonderie moléculaire, avait en 2016 utilisé des modèles informatiques pour prédire que des nanoparticules dopées au thulium exposées à la lumière laser infrarouge à une fréquence spécifique pourraient émettre de la lumière à une fréquence plus élevée que cette lumière infrarouge dans un processus contre-intuitif appelé « conversion ascendante ».
A cette époque aussi, Elizabeth Lévy, puis participant au programme Summer Undergraduate Laboratory Internship (SULI) du Lab, remarqué que les billes recouvertes de ces « nanoparticules à conversion ascendante » émettaient une lumière étonnamment brillante à des longueurs d'onde très spécifiques, ou couleurs.
Une image grand champ montrant la lumière émise par des microlasers dans un réseau 2D auto-assemblé. Crédit :Angel Fernandez-Bravo
"Ces pics étaient clairement périodiques et clairement reproductibles, " a déclaré Emory Chan, qui a codirigé l'étude avec les scientifiques du personnel de la fonderie Jim Schuck (maintenant à l'Université Columbia) et Bruce Cohen.
Les pointes périodiques que Chan et Levy ont observées sont un analogue basé sur la lumière à l'acoustique dite de "galerie des murmures" qui peut faire rebondir les ondes sonores le long des murs d'une pièce circulaire de sorte que même un murmure peut être entendu du côté opposé. de la Chambre. Cet effet de galerie de chuchotements a été observé dans le dôme de la cathédrale Saint-Paul de Londres à la fin des années 1800, par exemple.
Dans la dernière étude, Fernandez-Bravo et Schuck ont découvert que lorsqu'un laser infrarouge excite les nanoparticules dopées au thulium le long de la surface externe des billes, la lumière émise par les nanoparticules peut rebondir autour de la surface interne de la bille, tout comme des murmures rebondissant le long des murs de la cathédrale.
La lumière peut faire des milliers de voyages autour de la circonférence de la microsphère en une fraction de seconde, amenant certaines fréquences de lumière à interagir (ou « interférer ») avec elles-mêmes pour produire une lumière plus brillante tandis que d'autres fréquences s'annulent. Ce processus explique les pics inhabituels observés par Chan et Levy.
Lorsque l'intensité de la lumière circulant autour de ces billes atteint un certain seuil, la lumière peut stimuler l'émission de plus de lumière avec exactement la même couleur, et cette lumière, à son tour, peut stimuler encore plus de lumière. Cette amplification de la lumière, la base de tous les lasers, produit une lumière intense à une gamme très étroite de longueurs d'onde dans les billes.
Schuck avait considéré les nanoparticules dopées au lanthanide comme des candidats potentiels pour les microlasers, et il en est devenu convaincu lorsque Chan a partagé avec lui les données périodiques de la galerie de chuchotements.
Fernandez-Bravo a découvert que lorsqu'il exposait les billes à un laser infrarouge avec une puissance suffisante, les billes se transformaient en lasers à conversion ascendante, avec des fréquences plus élevées que le laser d'origine.
A gauche, une minuscule perle frappée par un laser (au point jaunâtre indiqué en haut de l'image) produit des modes optiques qui circulent à l'intérieur de la perle (anneau rosâtre). A droite, une simulation de la distribution du champ optique à l'intérieur d'une perle de 5 microns (5 millionièmes de mètre). Crédit :Angel Fernandez-Bravo/Berkeley Lab, Kaiyuan Yao
Il a également découvert que les billes pouvaient produire de la lumière laser aux puissances les plus faibles jamais enregistrées pour la conversion ascendante des lasers à base de nanoparticules.
« Les seuils bas permettent à ces lasers de fonctionner en continu pendant des heures à des puissances bien inférieures aux lasers précédents, " a déclaré Fernandez-Bravo.
D'autres lasers à nanoparticules à conversion ascendante ne fonctionnent que par intermittence; ils ne sont exposés qu'à court, de puissantes impulsions lumineuses car une exposition plus longue les endommagerait.
"La plupart des lasers à base de nanoparticules chauffent très rapidement et meurent en quelques minutes, " a déclaré Schuck. "Nos lasers sont toujours allumés, ce qui nous permet d'ajuster leurs signaux pour différentes applications." Dans ce cas, les chercheurs ont découvert que leurs microlasers fonctionnaient de manière stable après cinq heures d'utilisation continue. "Nous pouvons retirer les perles des étagères des mois ou des années plus tard, et ils lasent encore, ", a déclaré Fernandez-Bravo.
Les chercheurs explorent également comment régler soigneusement la lumière de sortie des microlasers à émission continue en modifiant simplement la taille et la composition des billes. Et ils ont utilisé un système robotique à la fonderie moléculaire connu sous le nom de WANDA (Workstation for Automated Nanomaterial Discovery and Analysis) pour combiner différents éléments dopants et ajuster les performances des nanoparticules.
Les chercheurs ont également noté qu'il existe de nombreuses applications potentielles pour les microlasers, comme dans le contrôle de l'activité des neurones ou des puces optiques, détection de produits chimiques, et détecter les changements environnementaux et de température.
"Au début, ces microlasers ne fonctionnaient qu'à l'air, ce qui était frustrant car nous voulions les introduire dans des systèmes vivants, " dit Cohen. " Mais nous avons trouvé une astuce simple pour les tremper dans du sérum sanguin, qui enrobe les billes de protéines qui leur permettent de pénétrer dans l'eau. Nous avons maintenant vu que ces billes peuvent être piégées avec des cellules dans des faisceaux laser et dirigées avec les mêmes lasers que nous utilisons pour les exciter. »
La dernière étude, et les nouvelles voies d'études qu'elle a ouvertes, montre à quel point un résultat inattendu peut être fortuit, il a dit. « Il se trouve que nous disposions des bonnes nanoparticules et du bon procédé de revêtement pour produire ces lasers, " a déclaré Schuck.
