Павлиньи перья могут быть лазерами

Фото из открытых источников

У павлинов есть секрет, скрытый в их ярко окрашенных хвостовых перьях: крошечные отражающие структуры, способные преобразовывать свет в лазерный луч. Окрасив перья и подключив к ним внешний источник света, исследователи обнаружили, что они испускают узкие пучки жёлто-зелёного лазерного света. По их словам, исследование, опубликованное в журнале Scientific Reports, представляет собой первый пример лазерной полости в мире животных.

Матьяж Хумар из Люблянского университета, недавно опубликовавший исследование о пищевых лазерах, называет это исследование «новым и вдохновляющим». Он говорит, что это «увлекательный и элегантный пример того, как сложные биологические структуры могут поддерживать генерацию когерентного света».

Лазеры создаются, когда так называемая среда усиления, часто краситель, «накачивается» энергией, что возбуждает электроны среды и переводит их на более высокие энергетические уровни. Когда эти электроны возвращаются в более низкие энергетические состояния, они высвобождают свою энергию, испуская фотоны определённых длин волн. Эти фотоны, в свою очередь, могут побуждать соседние возбуждённые атомы к релаксации и испусканию собственных фотонов.

Свет далее усиливается и упорядочивается в когерентный луч, отражаясь туда-сюда внутри отражающей полости. В обычном лазере луч в конечном итоге проходит через частичное зеркало. Но в естественном лазере микроскопические отражающие текстуры могут функционировать как полости, которые усиливают и испускают свет различными способами.

Учёным давно известно, что павлиньи перья обладают «структурным цветом» — природным способом создания ослепительных оттенков без использования пигмента. Упорядоченные микроструктуры в перьях отражают свет на определённых частотах, что обуславливает их яркие синие, зелёные оттенки и переливчатость. Но физик Натан Доусон из Флоридского политехнического университета и его коллеги решили пойти дальше и проверить, могут ли эти микроструктуры также функционировать как лазерный резонатор.

Окрасив перья обычным красителем и облучая их мягкими импульсами света, они с помощью лабораторных приборов обнаружили лучи жёлто-зелёного лазерного света, слишком слабые для восприятия невооружённым глазом. Они исходили из глазков на перьях на двух разных длинах волн. Удивительно, но разноцветные участки глазков излучали лазерный свет с одинаковой длиной волны, хотя микроструктура каждого участка, предположительно, различалась. Если бы это было простым совпадением, «это было бы похоже на бросание двух стогранных игральных костей, на которых всегда выпадает 74 на одной кости и 83 на другой», — говорит Доусон.

Марко Хиральдо, биофизик из Университета Антиокии, изучающий структурный цвет, отмечает, что исследование не определяет точные микроструктуры, генерирующие лазерное излучение. Чтобы объяснить постоянство сигнала, полости во всех перьях должны иметь идентичные размеры и форму с субнанометровой точностью. Это исключает полые части пера, которые слишком разнообразны, а также стержневидные микроструктуры, которые, как известно, придают перьям павлина их структурный цвет. Доусон предполагает, что в качестве лазерного резонатора работают какие-то другие характерные и небольшие структуры внутри перьев — возможно, белковые гранулы.

Тот факт, что перья павлина излучают лазерный свет, не означает, что птицы каким-то образом используют это излучение. Но, по словам Доусона, последствия всё же есть. Он предполагает, что поиск лазерного света в биоматериалах может помочь идентифицировать в них массивы регулярных микроструктур. Например, в медицине определённые инородные объекты — возможно, вирусы с чёткой геометрической формой — можно было бы классифицировать и идентифицировать на основе их способности генерировать лазеры, говорит он.

Работа также демонстрирует, как биологические материалы однажды смогут стать основой для лазеров, которые можно будет безопасно вводить в организм человека для излучения света в целях биосенсорики, медицинской визуализации и терапии. «Мне всегда приятно думать, что многие технологические достижения, приносящие пользу людям, — говорит Доусон, — уже были разработаны где-то в ходе эволюционного процесса».