Laser mới được tạo từ protein huỳnh quang của sứa

Laser quang tử học truyền thống sử dụng chất bán dẫn vô cơ cần được làm lạnh tới nhiệt độ cực kỳ thấp. Nhiều thiết kế gần đây dựa trên vật liệu điện tử hữu cơ, giống như sử dụng đi ốt phát quang hữu cơ (OLED), hoạt động ở nhiệt độ phòng nhưng cần được cung cấp bởi pico giây (một phần nghìn tỷ của một giây) xung ánh sáng.

Protein huỳnh quang đã cách mạng hóa hình ảnh y sinh học và cho phép các nhà khoa học theo dõi các quá trình bên trong tế bào, nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Würzburg và Đại học Công nghệ Dresden ở Đức đã tạo ra một tia laser quang tử học hoạt động ở nhiệt độ phòng chạy bằng xung nano giây - chỉ phần tỷ của một giây.

Ông Malte Gather, giáo sư tại trường Đại học St. Andrews ở Scotland - Trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: "Pi cô giây xung của năng lượng thích hợp là khó khoảng hơn 1.000 lần để làm xung nano giây, để tạo ra những laser quang tử học”.

Các protein huỳnh quang được sử dụng như một công cụ sản xuất tế bào sống hoặc mô sống trước đây nhưng bây giờ các nhà nghiên cứu đã bắt đầu sử dụng chúng như một loại vật liệu. Cho thấy lần đầu tiên cấu trúc phân tử của chúng là thực sự thuận lợi cho các hoạt động ở độ sáng cao.

Giáo sư Gather cùng nhóm nghiên cứu, cho thấy về mặt di truyền học biến đổi gen, vi khuẩn E.coli tăng cường sản xuất protein huỳnh quang màu xanh lá cây (EGFP). Họ đã cho protein này vào các vi hốc quang trước khi chúng phải chịu bơm quang học, nơi tia ánh sáng nano giây được sử dụng để mang hệ thống đến nới cần năng lượng để tạo ra ánh sáng laser. Quan trọng hơn, sau khi đạt ngưỡng phát ra laser quang tử học, năng lượng được bơm nhiều hơn vào thiết bị dẫn đến sự phát ra laser thông thường. Điều này giúp xác nhận sự phát xạ đầu tiên là do sự phát ra laser quang tử học. Đây là cách tiếp cận khác khi sử dụng vật liệu hữu cơ, từ trước đến nay chưa được chứng minh.

Laser thông thường tạo ra các chùm cường độ lớn bằng các lợi thế là các photon có thể được khuếch đại bởi các nguyên tử bị kích thích trong các tia laser gọi là "môi trường kích hoạt laser”. Thường được làm từ vật liệu vô cơ, chẳng hạn như kính, tinh thể hoặc gali dựa trên chất bán dẫn .

Ánh sáng laser quang tử học là gần như không thể phân biệt được từ ánh sáng laser thông thường, nhưng quá trình vật lý tạo ra nó dựa vào hiện tượng lượng tử để khuếch đại ánh sáng. Lặp đi lặp lại sự hấp thụ và tái phát xạ của các photon bởi các nguyên tử hay phân tử trong môi trường kích hoạt laser làm tăng các hạt giả dược được gọi là quang tử học. Trong điều kiện nhất định, trước khi mức năng lượng cần thiết cho sự phát laser thông thường đạt được - các quang tử học đồng bộ hóa trong mối ghép lượng tử được gọi là ngưng tụ, từ đó phát ra ánh sáng laser. Laser thông thường đòi hỏi nhiều hơn một nửa trong số các nguyên tử trong môi trường kích hoạt laser bị kích thích trước khi ánh sáng được tạo ra. Đây không phải là trường hợp ở laser quang tử học, có nghĩa là, chúng cần ít năng lượng được bơm từ hệ thống.

Theo Giáo sư Gather, một trong những lợi thế quan trọng của cách tiếp cận mới là một phần ánh sáng phát quang của các phân tử protein được bảo vệ trong một vỏ hình trụ quy mô nanomet, ngăn cản chúng làm ảnh hưởng đến nhau. Vật lý cơ bản cho thấy việc thiết kế được cải tiến cho phép laser quang tử học nhỏ gọn và hiệu quả hơn so với laser thông thường.

Điều này mang đến cho những nghiên cứu mới đầy hứa hẹn ở lĩnh vực máy tính quang học và các ứng dụng y tế. Tia laser nhỏ dựa trên vật liệu sinh học cũng có thể có khả năng được cấy ghép trong cơ thể con người.

Đ.T.V-NASATI (Theo Livescience)