DNA är det ärftliga materialet i kärnan i alla celler i människor och andra levande organismer. Förutom dess betydelse inom biologi, DNA har också spelat en specifik roll för att kontrollera många fysiska enheter. Nyligen, ett internationellt forskarlag vid Nanyang Technological University, Singapore, har demonstrerat konceptet med en omkopplingsbar mikrolaser genom att dra fördel av den organiska biomolekyl-DNA-hybridiseringsprocessen.

Hittills, framsteg inom omkopplingsbara mikrolasrar har dykt upp som en byggsten med enorm potential för att kontrollera ljus-materia-interaktioner och integrerad fotonik. Rent generellt, optisk omkoppling uppnås genom komplex enhetstillverkning eller några fysiska tillvägagångssätt, såsom modifiering av strukturen eller brytningsindexet för lasrkaviteterna. I motsats till artificiellt utformat gränssnitt, stimuli-responsiva biogränssnitt dra nytta av ett biologiskt system och bio-igenkänning så att en högre nivå av funktionaliteter kan realiseras på nanoskala. Ändå, byte av laseremission med biologisk igenkänning har ännu inte åtgärdats, speciellt med reversibel och våglängdsavstämning över ett brett spektralområde.

För att lösa detta problem, Chens team utvecklade en ny metod för att ändra laseremission genom att införliva DNA i en optisk mikrokavitet. DNA är ett av de mest potenta biomaterialen som är kända för sin kontrollerbara syntes och specificitet av baspar-interaktioner. Programmerbarheten och självmonteringen av DNA-strukturer erbjuder mångsidiga sätt att konstruera DNA-biogränssnitt och skräddarsy optisk respons. Fabry-Perot optiska mikrokaviteten består av två dielektriska speglar, där färgdopade flytande kristaller introducerades som optisk förstärkning för att förstärka svaret på DNA-bindningshändelser.

Den starka ljus-materia-interaktionen som induceras av mikrokaviteten möjliggör således att subtila förändringar kan förstärkas i kaviteten och flytande kristallmatriser. Den flytande kristallmolekylen ändras från homeotropisk till plan anpassning när enkelsträngat DNA (sDNA) adsorberas på det katjoniska monoskiktet i matrisen. Orienteringsförändringarna av LC-molekyler resulterade således i en blåförskjutning av lasrvåglängd med uttalad signalförstärkning. Laservåglängden skulle kunna återställas vid bindning med dess komplementära del genom DNA-hybridiseringsprocess.

"Vi använde denna speciella DNA-vätskekristallinteraktion som växlingskraft för att ändra vätskekristallernas orientering i Fabry-Perots mikrokavitet så att laseremissionsväxling mellan olika våglängder uppnåddes, sa professor Yu-Cheng Chen, studiens motsvarande författare. Interaktionerna leder till temporal växling av lasrande våglängder och intensiteter. Laservåglängden verkar blå skift när ssDNA introduceras. Det återgår efter hybridisering med dess komplementära baser. Både experimentella och teoretiska studier avslöjade att absorptionsstyrkan hos förstärkningsmediet är den kritiska mekanismen som bestämmer laserskiftningsbeteendet.

"Betydningen av denna studie är att introducera konceptet att använda organiska biomolekyler för att byta koherenta ljuskällor vid olika våglängder. Det representerar en milstolpe för att uppnå biologiskt kontrollerad laser, " sa Chen. Teamet anser att denna studie kastar ljus över utvecklingen av programmerbara fotoniska enheter på sub-nanoskala genom att utnyttja komplexiteten och självigenkänningen av biomolekyler. Genom att utnyttja komplexiteten och självigenkänningen av DNA-sekvenser, laserljus kunde manipuleras och programmeras helt. Den anmärkningsvärda förmågan hos specifik molekylär igenkänning kan vara potentiellt lämplig för tillämpningar som informationskodning och datalagring med laserljus i framtiden. Detta arbete publicerades i ACS Nano .