Klein, kleiner – winzig: Ein internationales Wissenschaftlerteam aus Deutschland und der Schweiz hat jetzt erstmals einen extrem kleinen Nanolaser gebaut. Er ist 300-mal dünner als ein menschliches Haar und funktioniert ohne aufwändige Kühlung schon bei Raumtemperatur. An der Entwicklung waren die Physiker Dr. Christopher Gies, Professor Frank Jahnke und Frederik Lohof vom Institut für Theoretische Physik (ITP) der Universität Bremen maßgeblich beteiligt. Die Experten für Lasertheorien halfen mit ihren mikroskopischen Modellen, die Emission von Laserlicht in dieser winzigen Größenordnung überhaupt erst nachzuweisen.
Mini-Laser für Mikrochips
Während man beispielsweise zum Schneiden von Stahl oder zum Abtasten von CDs große, auch für das menschliche Auge sichtbare Laser braucht, sind Nanolaser für die Informationstechnologie interessant. Denn in Zukunft wird die Datenübertragung und -verarbeitung zunehmend auf der Basis von Licht erfolgen, wie man es bereits durch die Verwendung von Glasfaserkabeln kennt. Für Mikrochips sind jedoch Mini-Laser notwendig – je kleiner, desto energieeffizienter. Zudem können sie direkt mit auf dem Chip integriert werden, was neben der Energieeffizienz ein wichtiger Aspekt ist. Einen solchen Nanolaser zu entwickeln, war das Ziel des internationalen Projekts. Es wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Schweizerischen Nationalfonds (SNF) gefördert.
Veröffentlichung in „Nature Communications“
Für die Grundlagenforschung in diesem Zukunftsbereich ist diese Entwicklung ein wichtiger Schritt. Deshalb wurde die Arbeit auch in der renommierten Open Access Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht (Link unten). Die Arbeit entstand in enger Kooperation mit führenden Gruppen im Feld von Halbleiteroptoelektronik (Prof. Stephan Reitzenstein, TU Berlin), Halbleiterprozessierung (Prof. Nicolas Grandjean, École Polytechnique Fédérale de Lausanne) und Charakterisierung von Nitrid-Halbleitern (Prof. Axel Hoffmann, TU Berlin).
In dem Projekt erwies es sich nicht nur als äußerst schwierig, überhaupt derart miniaturisierte Halbleiterstrukturen herzustellen. Eine weitere Herausforderung war auch, die phasenkohärente Lichtemission – das sogenannte Lasing – überhaupt nachzuweisen. „Ein normaler Laser ist mit unglaublichen Verlusten behaftet“, erläutert Christopher Gies. „Tatsächlich landen nur 0,0001 Prozent des erzeugten Lichtes tatsächlich im Laserbetrieb. Beim neu entwickelten Nanolaser hingegen gibt es so gut wie keine Verluste mehr – es werden mehr als 70 Prozent des erzeugten Lichtes genutzt!“
Extrem hohe Energieeffizienz
Die hohe Energieeffizienz stellte bei der Entwicklung des Nanolasers aber gleichzeitig auch ein Problem dar. „Die fast vollständige Abwesenheit von Verlusten bedeutet, dass der ‚Fingerabdruck‘ des Lasers – nämlich das sprunghafte Ansteigen der Lichtintensität an der Schwelle zum Lasern – hier gar nicht mehr vorhanden ist. Stattdessen müssen geringste Veränderungen in dem wenigen Licht untersucht werden, das von der winzigen Halbleiterstruktur ausgesendet wird“, erklärt Gies. „Für experimentelle Messmethoden ist das eine große Herausforderung, denn man weiß zunächst gar nicht, nach welchen Signaturen man genau suchen soll.“
Hier kommt das Fachwissen der Bremer Uni-Physiker vom Institut für Theoretische Physik ins Spiel. Ihr Spezialgebiet sind ausgefeilte Lasertheorien, die die quantenmechanischen Besonderheiten kleinster Laser berücksichtigen. Mit ihren im Rechner erstellten mikroskopischen Modellen konnten Christopher Gies, Frank Jahnke und Frederik Lohof das Verhalten des Nano-Systems präzise voraussagen. „Im praktischen Experiment wussten die Kolleginnen und Kollegen im Projekt also dank unserer Arbeit, woran sie genau Lasing identifizieren konnten. Die Übereinstimmung von Theorie und Experiment war dann der Nachweis, dass es mit dem Nano-Laser geklappt hat.“
Link zum Nature-Artikel: https://www.nature.com/articles/s41467-018-02999-2; als PDF: https://www.nature.com/articles/s41467-018-02999-2.pdf
Fragen beantwortet:
Dr. Christopher Gies
Universität Bremen
Institut für Theoretische Physik (ITP)
Tel. 0421/218-62052
E-Mail: giesprotect me ?!itp.uni-bremenprotect me ?!.de
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