Nuevo Láser Creado A Partir De Proteínas Fluorescentes De La Medusa

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Según un nuevo estudio, se utilizaron proteínas fluorescentes de medusas que se cultivaron en bacterias para crear un láser por primera vez.

Según un nuevo estudio, se utilizaron proteínas fluorescentes de medusas que se cultivaron en bacterias para crear un láser por primera vez.

El avance representa un gran avance en los llamados láseres de polariton, dijeron los investigadores. Según los investigadores, estos láseres tienen el potencial de ser mucho más eficientes y compactos que los convencionales y podrían abrir vías de investigación en física cuántica y computación óptica.

Los láseres polariton tradicionales que usan semiconductores inorgánicos necesitan enfriarse a temperaturas increíblemente bajas. Los diseños más recientes basados ​​en materiales electrónicos orgánicos, como los que se usan en las pantallas de diodos emisores de luz orgánicos (OLED), funcionan a temperatura ambiente, pero necesitan ser alimentados por pulsos de luz de picosegundos (una billonésima de segundo). [¿Ciencia o ficción? La plausibilidad de 10 conceptos de ciencia ficción]

Al reutilizar las proteínas fluorescentes que han revolucionado las imágenes biomédicas y al permitir a los científicos monitorear los procesos dentro de las células, el equipo creó un láser de polaritón que funciona a temperatura ambiente impulsado por pulsos de nanosegundos, solo mil millonésimas de segundo.

"Los pulsos de picosegundos de una energía adecuada son aproximadamente mil veces más difíciles de hacer que los pulsos de nanosegundos, por lo que realmente simplifica la fabricación de estos láseres de polaritones de manera bastante significativa", dijo Malte Gather, profesor de la Escuela de Física y Astronomía de la Universidad de St. Andrews en Escocia y uno de los inventores del láser.

Una ilustración esquemática de una proteína fluorescente láser de polariton en acción. Las partículas hechas de una mezcla de luz y energía electrónica se crean en una película de proteína verde fluorescente producida por células vivas.

Una ilustración esquemática de una proteína fluorescente láser de polariton en acción. Las partículas hechas de una mezcla de luz y energía electrónica se crean en una película de proteína verde fluorescente producida por células vivas.

Crédito: Dietrich / Höfling / Reunir

Gather dijo a WordsSideKick.com que las proteínas fluorescentes se han usado antes como marcadores en células vivas o en tejidos vivos, pero ahora los investigadores comenzaron a usarlas como material. "Este trabajo muestra por primera vez que su estructura molecular es realmente favorable para la operación a alto brillo, como se requiere, por ejemplo, para convertirlos en láseres", dijo.

Bacterias modificadas genéticamente

Se reúnen y colegas de la Universidad de Würzburg y la Universidad de Tecnología de Dresde, ambos en Alemania, diseñados genéticamente Bacteria E. coli para producir proteínas fluorescentes verdes mejoradas (eGFP).

Los investigadores llenaron las microcavidades ópticas con esta proteína antes de someterlas a "bombeo óptico", donde se utilizan destellos de luz de nanosegundos para que el sistema alcance la energía necesaria para crear luz láser.

Es importante destacar que, después de alcanzar el umbral para el láser polariton, el bombeo de más energía en el dispositivo resultó en un láser convencional. Esto ayuda a confirmar que la primera emisión se debió al láser de polaritón, dijo Gather, que es algo que otros enfoques que utilizan materiales orgánicos no han podido demostrar hasta ahora.

Los láseres convencionales crean sus rayos intensos aprovechando el hecho de que los fotones pueden ser amplificados por átomos excitados en el llamado "medio de ganancia" del láser. Por lo general, esto está hecho de materiales inorgánicos, como vidrios, cristales o semiconductores a base de galio.

La luz láser Polariton es casi indistinguible de la luz láser convencional, pero el proceso físico que la genera se basa en un fenómeno cuántico para amplificar la luz.

La absorción y la reemisión repetidas de fotones por átomos o moléculas en el medio de ganancia dan lugar a cuasipartículas llamadas polaritones. En ciertas condiciones, antes de que se alcance el nivel de energía requerido para el láser convencional, los polaritones se sincronizan en un estado cuántico conjunto llamado condensado, que emite luz láser.

Los láseres convencionales requieren más de la mitad de los átomos en el medio de ganancia para entrar en un estado excitado antes de que se produzca la luz láser. Este no es el caso de los láseres de polaritón, lo que significa que, en teoría, requieren menos energía para ser bombeados al sistema, dijeron los investigadores.

Innovaciones laser

Según Gather, una de las ventajas clave del nuevo enfoque es que la parte emisora ​​de luz de las moléculas de proteína está protegida dentro de una cubierta cilíndrica a escala nanométrica, lo que evita que interfieran entre sí.

Esto supera un problema importante que ha plagado los diseños anteriores, dijo Stéphane Kéna-Cohen, profesora asistente en el Departamento de Física de Ingeniería en Polytechnique Montréal en Canadá, quien trabajó en láseres de polariton orgánico pero no participó en el nuevo estudio.

"Esto permite que el láser funcione con pulsos de bomba mucho más largos, que son más fáciles de generar y permite implementaciones más simples", dijo Kéna-Cohen a WordsSideKick.com. "En este momento, aún quedan muchos desafíos para que tales láseres sean útiles porque el umbral de [excitación] es muy alto, pero son una plataforma fascinante para estudiar física que normalmente ocurre solo a temperaturas ultra bajas".

Gather dijo que la física fundamental sugiere que las mejoras en el diseño deberían eventualmente permitir los láseres de polariton con umbrales considerablemente más bajos que los convencionales, lo que les permitiría ser mucho más eficientes y compactos.

Esto hace que el nuevo estudio sea prometedor para el campo de la computación óptica, dijo, y un pequeño láser basado en biomateriales también podría potencialmente implantarse en el cuerpo humano para aplicaciones médicas.Mientras tanto, agregó que son un modelo útil para investigar cuestiones fundamentales en física cuántica.

Los resultados del nuevo estudio se publicaron en línea hoy (19 de agosto) en la revista Science Advances.

Artículo original en WordsSideKick.com.


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