Физики сделали лазер из перьев павлина

В ярких хвостовых перьях павлинов скрыт секрет — крошечные отражающие структуры, способные усиливать свет до лазерного луча. После окрашивания перьев и их возбуждения внешним источником света они испускают узкие пучки желто-зеленого лазерного излучения. Эксперименты, о которых рассказал Scientific Reports, стали первым примером лазерного резонатора в животном мире.

Специалист по биологической фотонике Матьяж Хумар из Люблянского университета, недавно опубликовавший исследование о съедобных лазерах, назвал эту работу «новаторской и вдохновляющей». По его словам, это «захватывающий и элегантный пример генерации когерентного света с применением сложных биологических структур».

Для работы лазера так называемую активную среду — часто краситель — «накачивают» энергией, что возбуждает электроны в ее атомах. Возвращаясь на более низкие энергетические уровни, эти электроны высвобождают энергию, испуская фотоны определенной длины волны. Эти фотоны, в свою очередь, могут вызывать релаксацию соседних возбужденных атомов и испускание ими собственных фотонов.

Свет дополнительно усиливается и упорядочивается в когерентный луч, перемещаясь туда-сюда внутри отражающей полости. В обычном лазере луч в конечном итоге выходит сквозь полупрозрачное зеркало. В естественном лазере микроскопические отражающие текстуры могут функционировать как резонаторы, которые усиливают и испускают свет различными способами.

Ученые давно знают, что цвет павлиньих перьев обусловлен структурной окраской — природным способом создания ослепительных оттенков без пигментов. Авторы нового исследования решили узнать, можно ли использовать эти микроструктуры как лазерный резонатор.

После окрашивания перьев обычным красителем и их возбуждения мягкими импульсами света они использовали лабораторные приборы для обнаружения пучков желто-зеленого лазерного света, слишком слабых, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом.

Лучи исходили из глазков перьев на двух различных длинах волн. Удивительно, но разные по цвету части глазков светились на одной длине волны, хотя микроструктуры в них, предположительно, различаются.

Вероятность, что это стало результатом простого совпадения, минимальна — «похожа на бросание двух стогранных кубиков и постоянное выпадение 74 на одном и 83 на другом», сравнил физик Натан Доусон из Флоридского политехнического университета.

Чтобы объяснить постоянство сигнала, резонаторы по всему перу должны иметь размеры и формы, идентичные с точностью до субнанометра, подтвердил биофизик Марко Хиральдо из Университета Антиокии, изучающий структурную окраску. Это исключает полые части пера, которые слишком разнообразны, а также стержнеобразные микроструктуры, которые придают павлиньим перьям их характерные цвета.

В исследовании этот вопрос не раскрыт, добавил Хиральдо. Доусон предположил, что роль лазерного резонатора играют белковые гранулы в микроструктурах перьев.

Вряд ли павлины используют эту свою особенность, о которой даже не догадываются. А для нас открытие может быть весьма полезным. Например, можно идентифицировать вирусы по их способности генерировать лазерное излучение. Кроме того, лазер на биологической основе может быть более безопасным для эксплуатации внутри тела человека — в целях биосенсорики, медицинской визуализации и терапии.

«Мне всегда нравится думать, что многие приносящие пользу людям технологии уже когда-то разработаны эволюцией», — заключил Доусон.