Светоизлучающие белки - основа низкоэнергетических лазеров нового типа - «Наука и технологии»

Мать Природа, создавая в свое время медузу, меньшее всего "думала" о лазерах. Но так получилось, что некоторые виды этих морских живых организмов содержат вещество, которое как нельзя лучше подходит для изготовления лазеров нового типа, лазеров, для работы которых требуется совсем незначительная энергия и которые работают даже при комнатной температуре.

Ученые из Шотландии и Германии использовали зеленый флуоресцентный белок (green fluorescent protein, GFP), материал, изначально выделенный из организма определенного вида медуз, в качестве активного материала рабочего тела поляритонного лазера. Такой лазер может использоваться в качестве метки раковых клеток или в качестве одного из компонентов оптической логики, встраиваемой на кристаллы традиционных процессоров. "Природа дала в наши руки материал, обладающий рядом свойств, которые делают его необычайно полезным для создания различных оптоэлектронных устройств" - рассказывает Мэйлт Гэтэр (Malte Gather), профессор физики из университета Св. Эндрю, Шотландия.

Поляритонные лазеры работают несколько иначе, нежели традиционные. Основой принципа их работы являются поляритоны, квазичастицы, состоящие из пары электрон-дырка (экситон) и фотона. Когда энергия из внешнего источника "накачивается" в такую систему, плотность поляритонов становится настолько высокой, что они начинают сталкиваться друг с другом и испускать заключенные в них фотоны света. А синхронизация движения и разрушения поляритонов обеспечивает то, что луч излучаемого света обладает всеми признаками луча лазерного света, т.е. монохроматичностью и определенной поляризацией.

При этом, для излучения света поляритонным лазером требуется энергия намного меньшая, чем требуется для работы обычного лазера, ведь для получения луча света не требуется никакого преобразования энергии одного вида в энергию другого вида.

Однако, главная проблема поляритонных лазеров заключается в том, что экситоны являются весьма нестабильными квазичастицами и они имеют тенденцию сталкиваться друг с другом, что приводит к их немедленному уничтожению. Для преодоления данной проблемы ученые охлаждали поляритоннные лазеры до криогенных температур, но все это приводит к усложнению и удорожанию устройства в целом.

Еще одним путем решения вышеописанной проблемы стало использование GFP-белка, особого белка, полученного при помощи технологий генной инженерии, который способен светиться более ярко, нежели аналогичный белок естественного происхождения. Ученые создали лазерную резонансную полость, поместив пленку белка GFP-500, толщина которой измеряется нанометрами, между двумя зеркалами. Молекулы белка GFP-500 представляют собой "связки" крошечных цилиндров, состоящих из 11 атомных слоев. Светоизлучающая часть этого белка "спрятана" внутри этих цилиндров, таким образом, циркулирующие там экситоны изолированы от экситонов в других частях молекулы и, благодаря этому, он не имеют возможности уничтожать друг друга.

Следует отметить, что данный лазер является не первым поляритонным лазером, способным работать при комнатной температуре, однако, биологическая основа такого лазера делает это устройство куда более биологически совместимым, нежели чем его полупроводниковый аналог. Такие крошечные лазеры, введенные внутрь живого организма, могут выступать в роли биологических маркеров, которые изменяют цвет своего свечения в ответ на генетические изменения, произошедшие в отдельных клетках. В отличие от имеющихся в наличии маркеров, которые могут воспроизводить только малое количество цветов, лазерные маркеры могут обеспечить минимум 5 тысяч различных оттенков зеленого цвета, давая ученым в руки более точный инструмент для изучения изменений и мутаций этих клеток.

В скором времени эта же группа ученых планирует произвести изучение целого ряда других материалов биологического происхождения, которые, помимо зеленого цвета, способны излучать свет других длин волн. И в случае успеха данного мероприятия, такие поляритонные лазеры, использующие белки различных типов и излучающие свет различных цветов, могут быть использованы для создания устройств отображения информации, для создания более точных биологических маркеров и для многого другого.