uno schizzo del set-up sperimentale; l'inserto mostra una micrografia elettronica a scansione (SEM) della microstruttura della fibra a cristalli fotonici. La sequenza di solitoni supramolecolari che si propaga in questa cavità laser a fibra guida una risonanza acustica nel nucleo PCF, creando un reticolo optomeccanico. Ogni unità del reticolo optomeccanico può ospitare più solitoni. EDF fibra drogata con erbio, Multiplexer a divisione di lunghezza d'onda WDM, Diodo laser LD, accoppiatore di uscita OC, Regolatore di polarizzazione della fibra FPC, attenuatore sintonizzabile TA, isolatore ISO. b All'interno di ciascuna unità del reticolo optomeccanico, tra i solitoni nasce una forza di attrazione optomeccanica a lungo raggio. c Una forza di repulsione in competizione appare a causa delle perturbazioni dispersive dell'onda. L'inserto mostra un tipico spettro solitonico con due bande laterali di Kelly di intensità disuguali. d La competizione tra queste due forze a lungo raggio forma un potenziale temporale, intrappolando il secondo solitone. e Unità stabili multi-solitoni possono formarsi attraverso l'accumulo in cascata di potenziali di intrappolamento. f Il jitter temporale di un singolo solitone in una supramolecola è analogo al movimento termico di una singola particella intrappolata in un potenziale armonico. Credito: Comunicazioni sulla natura (2019). DOI:10.1038/s41467-019-13746-6
Curtis Menyuk, professore di informatica e ingegneria elettrica presso l'Università del Maryland, Contea di Baltimora (UMBC), ha collaborato con un team diretto da Philip Russell presso il Max-Planck Institute for the Science of Light (MPI) di Erlangen, Germania, per ottenere informazioni sui sistemi molecolari presenti in natura utilizzando solitoni ottici nei laser. I solitoni ottici sono pacchetti di luce che sono legati insieme e si muovono a una velocità costante senza cambiare forma. Questo lavoro, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , è stato avviato mentre Menyuk era un ricercatore senior di Humboldt nella Divisione Russell dell'MPI.
I solitoni sono onnipresenti in natura, e un'onda di tsunami è un esempio di solitone naturale. I solitoni ottici nei laser hanno numerose applicazioni e vengono utilizzati per misurare le frequenze con una precisione senza precedenti. In particolare, sono stati usati per misurare il tempo, migliorare la tecnologia GPS, e rilevare pianeti lontani.
I solitoni ottici possono essere strettamente legati l'uno all'altro nei laser per creare molecole di solitoni analoghe alle molecole naturali, che sono costituiti da atomi legati covalentemente. Menyuk ei suoi colleghi dell'MPI hanno dimostrato sperimentalmente che questo concetto può essere esteso per creare supramolecole ottiche.
Le supramolecole ottiche sono grandi, matrici complesse di molecole ottiche debolmente legate che sono simili a supramolecole naturali, che sono debolmente legati da legami non covalenti. Le supramolecole presenti in natura vengono utilizzate per archiviare e manipolare chimicamente le informazioni di cui i sistemi biologici hanno bisogno per funzionare. Queste supramolecole sono note per svolgere un ruolo fondamentale in biochimica, in particolare nella chimica "ospite-ospite", che descrive due o più molecole che sono tenute insieme strutturalmente da forze diverse dai legami covalenti.
Il lavoro di Menyuk e dei suoi collaboratori ha unito questi due filoni di pensiero apparentemente non correlati:solitoni ottici e supramolecole. Il team di ricerca ha dimostrato che è possibile memorizzare e manipolare informazioni codificate nella configurazione di solitoni che costituiscono una supramolecola ottica.
"Riunire idee provenienti da due aree della scienza apparentemente non correlate è uno degli strumenti più potenti di cui dispongono gli ingegneri per fare progressi, " dice Menyuk.
Gli analoghi ottici di altri sistemi fisici e naturali hanno svolto un ruolo importante nel migliorare la nostra comprensione di questi sistemi, e questa comprensione può portare a nuove applicazioni. Imitando i processi utilizzati dai sistemi biologici in un sistema laser su larga scala che può essere manipolato e compreso con relativa facilità, Menyuk ei suoi colleghi sperano di ottenere una migliore comprensione di questi sistemi e aprire la porta a nuove applicazioni biomimetiche.
