Удивительные цвета и сложная структура хвостовых перьев павлина давно привлекают внимание учёных. Однако новое исследование показало: эти перья способны выступать в роли миниатюрных лазерных резонаторов, если обработать их обычным флуоресцентным красителем.
Исследование, проведённое группой американских учёных, раскрывает уникальные оптические свойства микроструктур в перьях павлина. Учёные сосредоточились на бородулях — микроскопических составляющих перьев, формирующих знаменитые переливающиеся «глазки» на хвосте.
Краситель и лазер
Для эксперимента исследователи использовали натуральные перья самца индийского павлина. Из них аккуратно вырезали участки с «глазками» и неоднократно смачивали их раствором лазерного красителя родамина 6G. Этот краситель хорошо известен своей способностью ярко светиться под воздействием зелёного лазера.
После обработки образцы освещали лазерными импульсами и регистрировали излучение с помощью спектрометра. Оказалось, что однократная обработка не приводит к появлению лазерного эффекта — он наблюдался только после нескольких циклов смачивания и высушивания. Это указывает на необходимость глубокого проникновения красителя в структуру пера и возможные изменения в его микроскопическом строении.
Учёные освещали лазером участки разных цветов — синие, зелёные, жёлтые и коричневые — и обнаружили стабильные и узкие пики лазерного излучения на длинах волн 574 и 583 нанометра. Эти пиковые значения сохранялись вне зависимости от цвета или участка пера, что говорит о высокой повторяемости и устойчивости эффекта.
Спектры излучения показали, что поведение не соответствует характеристикам так называемых случайных лазеров, которые обычно возникают в хаотичных, сильно рассеивающих структурах и обладают непредсказуемыми характеристиками. Напротив, излучение павлиньих перьев было строго организованным и стабильным.
Дополнительный анализ показал, что лазерное излучение формируется не благодаря случайному рассеянию или фотонным кристаллам, а за счёт регулярных мезомасштабных структур внутри бородулей. Исследование также исключило возможность возникновения эффекта за счёт лазеров с модами «шепчущей галереи», которые требуют замкнутых кольцевых резонаторов, отсутствующих в природных перьях.
Для проявления эффекта требовалось достаточно сильное лазерное «накачивание», сравнимое с условиями в экспериментах со случайными лазерами. Однако высокая стабильность пиков указывает на скрытую регулярность биологических структур, ранее не выявленную.
Зачем это нужно?
Хотя практическое применение эффекта пока находится на уровне гипотез, исследование открывает новый способ изучения внутренней организации сложных биологических материалов. Анализ лазерного излучения может помочь выявлять скрытые структурные особенности в тканях, включая полости и резонаторные области.
По мнению Натана Доусона из Политехнического университета Флориды, такая технология в будущем может привести к созданию биосовместимых лазеров, применимых внутри человеческого организма — например, в диагностике, визуализации или терапевтических процедурах.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
