en skiss av experimentuppställningen; insatsen visar en svepelektronmikrograf (SEM) av den fotoniska kristallfibermikrostrukturen. Den supramolekylära solitonsekvensen som utbreder sig i denna fiberlaserkavitet driver en akustisk resonans i PCF-kärnan, skapa ett optomekaniskt gitter. Varje enhet av det optomekaniska gittret kan rymma flera solitoner. EDF-erbiumdopad fiber, WDM våglängd-division multiplexer, LD laserdiod, OC -utgångskopplare, FPC fiberpolarisationskontroller, TA -justerbar dämpare, ISO isolator. b Inom varje enhet av det optomekaniska gittret, en optomekanisk attraktionskraft på lång räckvidd uppstår mellan solitonerna. c En konkurrerande repulsionskraft uppträder på grund av dispersiva vågstörningar. Insättningen visar ett typiskt solitonspektrum med två Kelly-sidoband med olika intensiteter. d Konkurrens mellan dessa två långdistanskrafter utgör en tidsmässig potential, fånga den andra solitonen. e Stabila multi-soliton-enheter kan bildas genom kaskaduppbyggnad av fångstpotentialer. f Tidsjittern för en enskild soliton i en supramolekyl är analog med den termiska rörelsen hos en enskild partikel som fångas i en harmonisk potential. Kreditera: Naturkommunikation (2019). DOI:10.1038/s41467-019-13746-6
Curtis Menyuk, professor i datavetenskap och elektroteknik vid University of Maryland, Baltimore County (UMBC), har samarbetat med ett team under ledning av Philip Russell vid Max-Planck Institute for the Science of Light (MPI) i Erlangen, Tyskland, att få insikt i naturligt förekommande molekylära system med hjälp av optiska solitoner i lasrar. Optiska solitoner är paket av ljus som binds samman och rör sig med konstant hastighet utan att ändra form. Detta jobb, publicerad i Naturkommunikation , initierades medan Menyuk var Humboldt Senior Research Fellow i Russell Division vid MPI.
Solitoner är allestädes närvarande i naturen, och en tsunamivåg är ett exempel på en naturligt förekommande soliton. Optiska solitons i lasrar har många tillämpningar och används för att mäta frekvenser med en aldrig tidigare skådad noggrannhet. Särskilt, de har använts för att mäta tid, förbättra GPS-tekniken, och upptäcka avlägsna planeter.
Optiska solitoner kan bindas hårt till varandra i lasrar för att göra solitonmolekyler som är analoga med naturliga molekyler, som består av kovalent bundna atomer. Menyuk och hans MPI-kollegor har experimentellt visat att detta koncept kan utvidgas till att skapa optiska supramolekyler.
Optiska supramolekyler är stora, komplexa uppsättningar av svagt bundna optiska molekyler som liknar naturligt förekommande supramolekyler, som är svagt bundna av icke-kovalenta bindningar. Naturligt förekommande supramolekyler används för att kemiskt lagra och manipulera information som biologiska system behöver för att fungera. Dessa supramolekyler är kända för att spela en grundläggande roll inom biokemi, särskilt inom "värd-gäst" -kemi, som beskriver två eller flera molekyler som hålls samman strukturellt av andra krafter än kovalenta bindningar.
Menyuks och hans medarbetares arbete samlade dessa två strängar av till synes orelaterad tanke:optiska solitoner och supramolekyler. Forskargruppen visade att det är möjligt att lagra och manipulera information som är kodad i konfigurationen av solitoner som utgör en optisk supramolekyl.
"Att sammanföra idéer från två till synes orelaterade vetenskapsområden är ett av de mest kraftfulla verktyg som ingenjörer har för att göra framsteg, " säger Menyuk.
Optiska analoger till andra fysiska och naturligt förekommande system har spelat en viktig roll för att förbättra vår förståelse av dessa system, och denna förståelse kan leda till nya tillämpningar. Genom att efterlikna de processer som biologiska system använder i ett storskaligt lasersystem som kan manipuleras och förstås relativt lätt, Menyuk och hans kollegor hoppas få en bättre förståelse för dessa system och öppna dörren till nya biomimetiska tillämpningar.
