Curtis Menyuk, hoogleraar computerwetenschappen en elektrotechniek aan de Universiteit van Maryland, Baltimore County (UMBC), heeft samengewerkt met een team onder leiding van Philip Russell van het Max-Planck Institute for the Science of Light (MPI) in Erlangen, Duitsland, inzicht krijgen in natuurlijk voorkomende moleculaire systemen met behulp van optische solitonen in lasers. Optische solitonen zijn pakketjes licht die aan elkaar zijn gebonden en met een constante snelheid bewegen zonder van vorm te veranderen. Dit werk, gepubliceerd in Natuurcommunicatie , werd gestart terwijl Menyuk een Humboldt Senior Research Fellow was in de Russell Division bij MPI.

Solitonen zijn alomtegenwoordig in de natuur, en een tsunami-golf is een voorbeeld van een natuurlijk voorkomende soliton. Optische solitonen in lasers kennen talloze toepassingen en worden gebruikt om frequenties met ongekende nauwkeurigheid te meten. Vooral, ze zijn gebruikt om de tijd te meten, GPS-technologie verbeteren, en verre planeten te detecteren.

Optische solitonen kunnen in lasers stevig aan elkaar worden gebonden om soliton-moleculen te maken die analoog zijn aan natuurlijke moleculen, die bestaan ​​uit covalent gebonden atomen. Menyuk en zijn MPI-collega's hebben experimenteel aangetoond dat dit concept kan worden uitgebreid tot optische supramoleculen.

Optische supramoleculen zijn groot, complexe reeksen van zwak gebonden optische moleculen die vergelijkbaar zijn met natuurlijk voorkomende supramoleculen, die zwak zijn gebonden door niet-covalente bindingen. Natuurlijk voorkomende supramoleculen worden gebruikt om informatie die biologische systemen nodig hebben om te functioneren chemisch op te slaan en te manipuleren. Van deze supramoleculen is bekend dat ze een fundamentele rol spelen in de biochemie, vooral in de "gast-gast"-chemie, die twee of meer moleculen beschrijft die structureel bij elkaar worden gehouden door andere krachten dan covalente bindingen.

Het werk van Menyuk en zijn medewerkers bracht deze twee lijnen van schijnbaar niet-verwante gedachten samen:optische solitonen en supramoleculen. Het onderzoeksteam toonde aan dat het mogelijk is om informatie op te slaan en te manipuleren die is gecodeerd in de configuratie van solitonen waaruit een optisch supramolecuul bestaat.

"Het samenbrengen van ideeën uit twee schijnbaar niet-gerelateerde wetenschapsgebieden is een van de krachtigste hulpmiddelen die ingenieurs hebben om vooruitgang te boeken, ' zegt Menjoek.

Optische analogen met andere fysieke en natuurlijk voorkomende systemen hebben een belangrijke rol gespeeld bij het vergroten van ons begrip van deze systemen, en dit inzicht kan leiden tot nieuwe toepassingen. Door de processen na te bootsen die biologische systemen gebruiken in een grootschalig lasersysteem dat relatief gemakkelijk kan worden gemanipuleerd en begrepen, Menyuk en zijn collega's hopen die systemen beter te begrijpen en de deur te openen naar nieuwe biomimetische toepassingen.