Über schwingende Elektronen erzeugt ein Halbleiter-Laser den bisher kleinsten Laserblitz mit elektrischer Anregung

Kleinster Halbleiter-Laser

Berkeley (USA) - Für Laser, die wohl wichtigsten Lichtquellen für Forschung und Technologie, bricht eine neue Ära an. Erstmals können sie kurze Blitze erzeugen, die um ein Vielfaches kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts. Während bisher die Gesetze der Optik Laserpulse kleiner als die halbe Lichtwellenlänge verboten, erzeugten nun amerikanische Physiker mit dem kleinsten Halbleiter-Laser der Welt gleich etwa zehnmal kleinere Lichtblitze. Ihren Prototyp, der zu zahlreichen neuen Anwendungen auf dem Gebiet der Optoelektronik führen könnte, präsentieren sie in einer Online-Veröffentlichung der Zeitschrift "Nature".

"Diese Arbeit erschüttert die traditionellen Grenzen des Lasers", sagt Xiang Zhang, der den Minilaser zusammen mit seinen Kollegen von der University of California in Berkeley entwickelt hat. Herzstück des grün strahlenden Lasers ist ein wenige Nanometer kleiner Nanodraht aus dem Verbindungshalbleiter Cadmiumsulfid. Diesen hüllten die Forscher, abgetrennt durch eine hauchdünne Isolierschicht, in einen Film aus Silber. So schafften sie es, elektrisch so genannte Plasmonen – das sind kollektiv schwingende Elektronen an der Oberfläche des Nanodrahts – so zu kontrollieren und zu verstärken, dass sie darauf einen grünen Laserblitz von 489 Nanometer Wellenlänge und nur noch etwa 50 Nanometer Größe erzeugten.

Den Titel "Erfinder des weltkleinsten Lasers" können sich die kalifornischen Wissenschaftler allerdings nicht an ihre Brust heften. Denn gerade vor zwei Wochen hatte das Forscherteam um Mikhail Noginov von der Norfolk State University mit Kollegen von der Purdue und der Cornell University ein nur 44 Nanometer kleines, mit Natriumsilikat umhülltes Goldkörnchen präsentiert, das ebenfalls grünes Laserlicht aussendete. Auch hierbei spielten Plasmonen eine entscheidende Rolle, so dass die Erfinder ihren Prototyp nicht Laser, sondern "Spaser" – für eine Lichtverstärkung mit "surface plasmons" – nannten. Dieser Spaser musste allerdings noch mit Lichtpulsen angeregt werden. Praktischer ist daher der nun in Berkeley entwickelte Laser, der elektrisch angeregt zur Lichtemission gebracht werden kann.

Beide Studien zeigen, dass die Größe von Laserblitzen nicht mehr länger durch die Gesetze der Optik limitiert bleibt. Mit großer Wahrscheinlichkeit werden nun weitere Prototypen folgen, die winzige Lichtspots über einen breiten Wellenlängenbereich vom Infraroten bis zum Ultravioletten aussenden. Entwickler von Lichtchips, in denen Daten statt mit Elektronen viel schneller mit Lichtteilchen verarbeitet werden könnten, werden schnell auf diese geschrumpften Laser zurückgreifen. Auch auf dem Weg zum Quantencomputer erwarten die Forscher mit ihren Plasmon-Lichtquellen neue Impulse. "Diese Arbeit kann die Welten der Elektronik und der Optik auf molekularer Skala zusammenführen", ist Zhang überzeugt.