Halbleiter-Nanolaser: Geschwindigkeit am Limit

Eintausend Milliarden Schaltvorgänge pro Sekunde – Auf diesen Spitzenwert bringen es die Halbleiter-Nanolaser, die Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena gemeinsam mit Fachkollegen des Imperial College in London entwickeln. Wie das Forscherteam in der aktuellen Ausgabe des Magazins „Nature Physics“ schreibt, verfügt es damit über die schnellsten Laser überhaupt (DOI: 10.1038/NPHYS3103).

Schnelligkeit, so erläutert Prof. Dr. Carsten Ronning von der Uni Jena, bedeute in diesem Fall die Geschwindigkeit des An- und Abschaltens des Lasers, und nicht die Dauer der Laserpulse. „Während die schnellsten Laser typischerweise einige Nanosekunden für einen Schaltvorgang brauchen, dauert eine Schaltung unserer Halbleiternanolaser weniger als eine Pikosekunde und ist damit tausend Mal kürzer“, so der Festkörperphysiker weiter.

Für ihre Nanolaser nutzen die Wissenschaftler winzige Drähte aus Zinkoxid. Diese haben mit wenigen hundert Nanometern gerade einmal ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares und sind nur etwa einige Mikrometer lang. Ihre Eigenschaften machen die Nanodrähte zum aktiven Lasermedium und zugleich zu Resonatoren.

„Licht wird an den Enden der Drähte, wie an einem Spiegel, reflektiert und verstärkt sich beim Durchlauf durch den Nanodraht“, sagt Robert Röder. Der Doktorand in Prof. Ronnings Team ist einer der Autoren der aktuellen Publikation.

Dass sich Nanodrähte prinzipiell als Laser eignen, ist für die Forscher nicht neu. Neu an der jetzt veröffentlichten Entwicklung ist jedoch die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Lasers grundlegend modifizieren zu können. Dazu haben die Physiker die Nano-Halbleiter mit einer metallischen Schicht kombiniert, wobei zwischen beiden ein minimaler Zwischenraum von zehn Nanometern Breite bleibt. Darin wird das Lichtfeld eingeschnürt.

„Auf diese Weise wird die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie beschleunigt“, sagt Robert Röder. Dies sei nicht nur „Weltrekord“ was die Schaltgeschwindigkeit des Lasers betrifft. „Wir haben damit sehr wahrscheinlich auch die Maximalgeschwindigkeit erreicht, mit der ein solcher Halbleiter-Laser überhaupt geschaltet werden kann.“

Anwendungsmöglichkeiten für die ultraschnellen und Nanometer-kleinen Laser bieten sich vor allem als optische Transistoren und als Sensoren. „Mit solch kleinen Sensoren ließen sich beispielsweise einzelne Moleküle oder Keime in der medizinischen Diagnostik nachweisen“, macht Prof. Ronning deutlich.

Original-Publikation:
Sidiropoulos TPH et al. Ultrafast plamonic nanowire lasers near the surface plasmon frequency, NATURE Physics 2014 (DOI: 10.1038/NPHYS3103)

Kontakt (in Jena):
Prof. Dr. Carsten Ronning, Robert Röder
Institut für Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtzweg 5, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947300, 03641 / 947318
E-Mail: carsten.ronning[at]uni-jena.de, robert.roeder[at]uni-jena.de

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