Laserlicht aus der Fläche

Winzige Nanoantennen aus einem Halbleitermaterial können dank ihrer besonderen optoelektronischen Eigenschaften einfallendes Licht absorbieren, umlenken und sogar selbst Licht abstrahlen. Theoretische Modelle legen nahe, dass sich aus diesen Halbleiterstrukturen flache Laser mit einer genau definierten Wellenlänge bauen lassen. In der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ stellen Wissenschaftler nun den ersten Prototypen eines solchen Nanoantennenlasers vor. Diese extrem flachen Laserlichtquellen könnten künftig beispielsweise in optische Chips integriert werden, die digitale Berechnungen mit Lichtteilchen sehr viel schneller durchführen sollen als heutige Prozessoren mit Elektronen.

Arseniy Kuznetsov von der Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung in Singapur und seine Kollegen brachten zuerst eine hauchdünne Schicht aus Galliumarsenid auf eine Unterlage aus Siliziumdioxid auf. Mit Elektronenstrahlen und lithografischen Ätzprozessen formten sie daraus eine symmetrische Struktur, aufgebaut aus vielen winzigen Zylindern – jeweils nur 100 Nanometer dick und 250 Nanometer hoch. Auf dieses Areal aus Nanoantennen lenkten die Forscher kurze Laserpulse mit einer Wellenlänge von 780 Nanometern. Die eingestrahlte Energie regte die Atome in jedem einzelnen Zylinder an, woraufhin diese wenig später selbst Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 830 Nanometern emittierten. Indem die Forscher um Kuznetsov den Durchmesser der Nanozylinder auf bis zu 140 Nanometer vergrößerten, ließ sich Laserlicht mit einer Wellenlänge von bis zu 850 Nanometern erzeugen. In den Experimenten variierte das Team zudem die Abstände zwischen den Zylindern sowie die Temperatur des gesamten Areals, um die Wellenlänge des Laserlichts weiter in den Infrarotbereich zu verschieben – bis zu 920 Nanometer waren möglich.

Die Wissenschaftler möchten das Potenzial dieser Laser künftig auch mit weiteren Materialien und anderen Abständen zwischen den Nanozylindern untersuchen. Bevor die extrem flachen Laser aber in Photonikchips oder in neuartigen Leuchtdioden zum Einsatz kommen können, gilt es noch eine Hürde zu nehmen: Statt wie bisher mit einem weiteren Laser müssten sich die optoelektronisch aktiven Areale durch angelegte elektrische Spannungen anregen lassen.