Kleinster Nanolaser für grünes Licht

Miniatur-Lichtquelle: Forscher haben erstmals einen Laser konstruiert, der nur 300 Nanometer klein ist und bei Raumtemperatur grünes Licht produzieren kann. Der Nanolaser besteht aus dem Halbleitermaterial Perowskit, das als aktives Lasermedium die Photonen erzeugt und sie gleichzeitig als Resonator vervielfältigt. Einsetzbar ist der neue Nanolaser auf photonischen Chips, in Sensoren oder anderen optisch-elektronischen Geräten.

Laser sind aus Alltag, Technik und Forschung längst nicht mehr wegzudenken. Ihr kohärentes Licht dient als Messhilfe, Allzweckwerkzeug, Kommunikationsmittel oder Sensor und wird in unzähligen Varianten vom ultrakurzen Puls bis zur Trägerwelle für Daten eingesetzt. Gerade in der Computertechnik suchen Forscher aber noch nach optimalen Nanolasern, die sie direkt in photonische Chips integrieren können. Erste Prototypen aus Indiumarsenid-Gittern und Silizium-Nanostrukturen gibt es bereits.

Nanopartikel als Laser

Einen solchen Nanolaser haben nun auch Forscher um Ekaterina Tiguntseva von der Staatlichen Universität für Informationstechnologien (ITMO) in Sankt Petersburg entwickelt. Bei ihrer Miniatur-Lichtquelle handelt es sich um den kompaktesten Halbleiterlaser, der sichtbares Licht bei Raumtemperatur erzeugt, wie sie berichten. Der Laser besteht aus Nanopartikeln von nur 310 Nanometer Größe, die aus einem Halbleitermaterial mit Perowskit-Struktur bestehen.

Um zum Laser zu werden, müssen diese Nanopartikel einmalig durch einen Femtosekunden-Laserpuls angeregt – „gepumpt“ – werden. Dann erzeugt das angeregte Material in seinem Inneren Kaskaden von Photonen. „Die Produktion von Laserlicht ist ein Schwellenprozess“, erläutert Tiguntsevas Kollege Kirill Koshelev. „Man regt ein Nanopartikel mit einem Laserpuls an und bei einer bestimmten Schwellenintensität des externen Pulses beginnt dann das Teilchen, selbst Laserlicht zu emittieren.“

Photonenquelle und Resonator zugleich

Das Perowskit-Material des Nanolasers agiert dabei gleichzeitig als photonenlieferndes Lasermedium und als Resonator, der die Photonen zunächst anreichert, bevor sie nach außen freigesetzt werden. Möglich wird dies durch spezielle Resonanzeffekte im Inneren des Halbleiterkristalls: „Unser Nanopartikel unterstützt eine Mie-Resonanz der dritten Ordnung, was nie zuvor gemacht wurde“, erklärt Tiguntseva.

Das bedeutet, dass das Licht im Kristall in einem Raum reflektiert wird, der genau drei Wellenlängen des erzeugten Lichts entspricht. Diese Struktur erreichten die Forscher, indem sie das Perowskit-Material durch ein spezielles Syntheseverfahren zu kleinen Würfeln der passenden Größe formten. In Tests erwies sich diese Konstruktion als effizienter Lasergenerator: „Wir haben demonstriert, dass ein solcher Nanolaser über mindestens eine Million Anregungszyklen arbeiten kann“, sagt Tiguntseva.

Die Herausforderung des grünen Lichts

Eine Besonderheit dabei: Dieser Nanolaser erzeugt grünes Licht. „Im Gebiet der lichtemittierenden Halbleiter gibt es das Problem der sogenannten Grünlücke“, erklärt Seniorautor Sergey Makarov vom ITMO. „Das bedeutet, dass die Quanteneffizienz der typischerweise für lichtemittierende Dioden verwendeten Halbleiter im grünen Bereich des Lichtspektrums dramatisch abfällt.“

Im Gegensatz zum langwelligeren Infrarot- und Rotlicht sind daher Laser mit grünem Licht schwerer zu konstruieren. Denn wie die Forscher erklären, ist das Volumen eines Miniaturlasers eng mit der Wellenlänge des Lichts verknüpft. Weil grünes Licht eine etwa dreimal kürzere Wellenlänge hat als Infrarotlicht, erfordert dies auch eine entsprechend stärkere Miniaturisierung. Der Vorteil jedoch: Das menschliche Auge ist für grünes Licht sensibler als für andere Wellenlängen, deshalb erscheint beispielsweise ein grüner Laserpointer selbst bei gleicher Lichtstärke heller als ein roter.

Funktioniert bei Raumtemperatur

Entscheidend für die Anwendung des neuen Halbleiter-Nanolasers ist jedoch auch, dass er unter normalen Bedingungen bei Raumtemperatur arbeitet – er muss weder gekühlt noch unter Druck gesetzt oder auf andere Weise besonders behandelt werde. Nach Ansicht der Forscher könnte sich ihre Technologie daher besonders gut für optische Computerchips, Sensoren und andere photonische Anwendungen eignen. (ACS Nano, 2020; doi: 10.1021/acsnano.0c01468)

Quelle: ITMO University