Neuer Laser Aus Fluoreszierenden Proteinen Von Jellyfish

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Laut einer neuen studie wurden erstmals fluoreszierende proteine ​​aus quallen, die in bakterien gezüchtet wurden, zur erzeugung eines lasers verwendet.

Laut einer neuen Studie wurden erstmals fluoreszierende Proteine ​​aus Quallen, die in Bakterien gezüchtet wurden, zur Erzeugung eines Lasers verwendet.

Der Durchbruch stellt einen großen Fortschritt bei sogenannten Polariton-Lasern dar, sagten die Forscher. Diese Laser hätten das Potenzial, weitaus effizienter und kompakter als herkömmliche Laser zu sein, und könnten Forschungsmöglichkeiten in der Quantenphysik und im optischen Rechnen eröffnen, so die Forscher.

Herkömmliche Polaritonenlaser, die anorganische Halbleiter verwenden, müssen auf unglaublich niedrige Temperaturen gekühlt werden. Neuere Konstruktionen auf der Basis organischer Elektronikmaterialien, wie sie in OLED-Anzeigen (Organic Light Emitting Diode) verwendet werden, arbeiten bei Raumtemperatur, müssen jedoch mit Pikosekunden-Lichtimpulsen (eine Billionstel Sekunde) betrieben werden. [Science Fact oder Fiktion? Die Plausibilität von 10 Sci-Fi-Konzepten]

Durch die Umwidmung der fluoreszierenden Proteine, die die biomedizinische Bildgebung revolutioniert haben, und die Wissenschaftler konnten die Prozesse innerhalb von Zellen überwachen, entwickelte das Team einen Polariton-Laser, der bei Raumtemperatur arbeitet und mit Nanosekundenpulsen betrieben wird - einer Milliardstel Sekunde.

"Picosekundenpulse mit einer geeigneten Energie sind etwa tausendfach schwieriger herzustellen als Nanosekundenpulse. Daher wird die Herstellung dieser Polaritonenlaser erheblich vereinfacht", sagte Malte Gather, Professor an der School of Physics und Astronomy der University of St. Andrews in Schottland und einer der Erfinder des Lasers.

Eine schematische Darstellung eines fluoreszierenden Protein-Polariton-Lasers in Aktion. Partikel, die aus einer Mischung aus Licht und elektronischer Energie hergestellt werden, werden in einem Film aus grün fluoreszierenden Proteinen erzeugt, die von lebenden Zellen produziert werden.

Eine schematische Darstellung eines fluoreszierenden Protein-Polariton-Lasers in Aktion. Partikel, die aus einer Mischung aus Licht und elektronischer Energie hergestellt werden, werden in einem Film aus grün fluoreszierenden Proteinen erzeugt, die von lebenden Zellen produziert werden.

Bildnachweis: Dietrich / Höfling / Gather

Gather sagte gegenüber WordsSideKick.com, dass fluoreszierende Proteine ​​zuvor in lebenden Zellen oder in lebendem Gewebe als Marker verwendet wurden. Jetzt haben die Forscher damit begonnen, sie als Material zu verwenden. "Diese Arbeit zeigt zum ersten Mal, dass ihre molekulare Struktur für den Betrieb bei hoher Helligkeit tatsächlich günstig ist - wie es zum Beispiel erforderlich ist, um sie in Laser umzuwandeln", sagte er.

Genetisch veränderte Bakterien

Gather und Kollegen von der Universität Würzburg und der Technischen Universität Dresden, beide in Deutschland, gentechnisch verändert E. coli-Bakterien Enhanced Green Fluorescent Protein (eGFP) herzustellen.

Die Forscher füllten dieses Protein mit optischen Mikrokavitäten aus, bevor sie "optischem Pumpen" unterzogen wurden, wobei Lichtblitze in Nanosekunden verwendet werden, um das System auf die erforderliche Energie zur Erzeugung von Laserlicht zu bringen.

Nach dem Erreichen des Schwellwerts für das Polariton-Lasern führte das Pumpen von mehr Energie in die Vorrichtung zu einem herkömmlichen Lasern. Dies verdeutlicht, dass die erste Emission auf das Polariton-Lasern zurückzuführen ist, sagte Gather. Andere Ansätze, bei denen organische Materialien verwendet wurden, konnten dies bislang nicht zeigen.

Herkömmliche Laser erzeugen ihre intensiven Strahlen, indem sie die Tatsache ausnutzen, dass Photonen durch angeregte Atome in dem sogenannten "Verstärkungsmedium" des Lasers verstärkt werden können. Dies wird typischerweise aus anorganischen Materialien wie Gläsern, Kristallen oder Halbleitern auf Galliumbasis hergestellt.

Polariton-Laserlicht ist fast nicht von herkömmlichem Laserlicht zu unterscheiden, aber der physikalische Prozess, der es erzeugt, beruht auf einem Quantenphänomen, um das Licht zu verstärken.

Wiederholte Absorption und erneute Emission von Photonen durch Atome oder Moleküle im Verstärkungsmedium führt zu Quasipartikeln, den sogenannten Polaritonen. Unter bestimmten Bedingungen - bevor das für herkömmliche Lasern erforderliche Energieniveau erreicht wird - synchronisieren sich die Polaritonen in einen gemeinsamen Quantenzustand, der als Kondensat bezeichnet wird und Laserlicht abgibt.

Herkömmliche Laser benötigen mehr als die Hälfte der Atome im Verstärkungsmedium, um in einen angeregten Zustand einzutreten, bevor Laserlicht erzeugt wird. Dies ist bei Polariton-Lasern nicht der Fall, dh sie benötigen theoretisch weniger Energie, um in das System gepumpt zu werden, sagten die Forscher.

Laserinnovationen

Laut Gather ist einer der Hauptvorteile des neuen Ansatzes, dass der lichtemittierende Teil der Proteinmoleküle in einer zylindrischen Hülle im Nanometerbereich geschützt wird, wodurch verhindert wird, dass sich diese gegenseitig stören.

Dies beseitigt ein großes Problem, das frühere Konstruktionen geplagt hatte, sagte Stéphane Kéna-Cohen, Assistenzprofessor an der Fakultät für Technische Physik der Polytechnique Montréal in Kanada, der an organischen Polariton-Lasern gearbeitet hat, aber an der neuen Studie nicht beteiligt war.

"Dadurch kann der Laser mit viel längeren Pumpimpulsen arbeiten, die einfacher zu erzeugen sind und einfachere Implementierungen ermöglicht", sagte Kéna-Cohen gegenüber WordsSideKick.com. "Im Moment bleiben viele Herausforderungen für solche Laser bestehen, da die [Anregungsschwelle] so hoch ist, aber sie sind eine faszinierende Plattform für das Studium der Physik, die normalerweise nur bei extrem niedrigen Temperaturen auftritt."

Gather sagte, die fundamentale Physik deutet darauf hin, dass Designverbesserungen letztendlich Polariton-Lasern mit erheblich niedrigeren Schwellenwerten als konventionelle erlauben sollten, wodurch sie wesentlich effizienter und kompakter werden könnten.

Dies macht die neue Studie für den Bereich des optischen Rechnens vielversprechend, sagte er. Ein winziger Laser, der auf Biomaterialien basiert, könnte möglicherweise auch für medizinische Anwendungen in den menschlichen Körper implantiert werden.In der Zwischenzeit fügte er hinzu, dass sie ein nützliches Modell für die Untersuchung grundlegender Fragen in der Quantenphysik sind.

Die Ergebnisse der neuen Studie wurden heute (19. August) online in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.

Originalartikel zu WordsSideKick.com.


Videoergänzungsan: The Jellyfish Protein that Lit Up a World of Discoveries.




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