Природный лазер в павлине: уникальные перья способны излучать свет, как настоящие лазеры

У павлинов есть уникальная особенность, скрытая в ярких хвостовых перьях — микроскопические отражающие структуры, способные превращать свет в лазерный луч. Исследователи обнаружили, что, окрашивая перья и подключив к ним внешний источник света, они начинают испускать узкие пучки жёлто-зелёного лазерного света. Это открытие, опубликованное в журнале Scientific Reports, стало первым примером лазерной полости в природе животных.

Матьяж Хумар из Люблянского университета, известный своими исследованиями пищевых лазеров, назвал эту работу "новым и вдохновляющим", добавив, что это "удивительный и элегантный пример того, как сложные биологические структуры могут поддерживать генерацию когерентного света".

Лазеры создаются, когда среда усиления, чаще всего это краситель, поглощает энергию, что возбуждает электроны и переводит их на более высокие энергетические уровни. Когда электроны возвращаются на более низкие уровни, они испускают фотоны определённых длин волн.

Эти фотоны могут активировать соседние атомы, и так продолжается усиление света, который в конце концов становится когерентным лучом. В обычных лазерах этот луч выходит через частичное зеркало, но в случае с природными лазерами, такими как павлиний хвост, микроструктуры перьев играют роль полости, усиливающей свет.

Учёные давно знали, что павлиньи перья обладают "структурным цветом" — они создают яркие оттенки, не используя пигменты. Упорядоченные микроструктуры перьев отражают свет на определённых частотах, создавая яркие синие и зелёные оттенки. Но физик Натан Доусон и его коллеги решили проверить, могут ли эти микроструктуры быть использованы как лазерный резонатор.

Окрасив перья красителем и облучив их мягкими световыми импульсами, учёные обнаружили, что они испускают лазерный свет в жёлто-зелёной области спектра. Лучи были слишком слабыми для восприятия невооружённым глазом, но их источником были глазки на перьях, которые испускали свет с одинаковой длиной волны, несмотря на различия в микроструктуре каждого участка. Если бы это было случайностью, то такая закономерность была бы аналогична бросанию двух игральных костей, на которых всегда выпадали одинаковые числа.

Марко Хиральдо, биофизик из Университета Антиокии, отметил, что исследование не определяет точные микроструктуры, которые создают лазерное излучение. Чтобы объяснить постоянство лазерного сигнала, полости во всех перьях должны быть одинаковыми по размеру и форме с субнанометровой точностью.

Это исключает полые и стержневидные структуры, которые придают перьям павлина их уникальный цвет. Доусон предполагает, что лазерный резонатор может быть связан с другими микроструктурами внутри перьев, возможно, с белковыми гранулами.

Хотя лазерное излучение, испускаемое перьями павлинов, не имеет практического значения для самих птиц, открытие имеет важные последствия. Например, поиск лазерного света в биоматериалах может помочь в идентификации объектов с регулярными микроструктурами, таких как вирусы с чёткой геометрической формой. Это может быть полезно в медицине для диагностики и классификации инородных объектов.

Кроме того, исследование демонстрирует, как биологические материалы могут стать основой для создания лазеров, которые можно будет безопасно вводить в организм человека. Эти лазеры могут быть использованы для биосенсорики, медицинской визуализации и терапии.

"Многие технологические достижения, которые приносят пользу людям, уже были изобретены природой в ходе эволюционного процесса", — заключает Доусон.