Laserlicht aus der Fläche

Singapur (Singapur) - Flacher kann ein Laser kaum werden. Nur ein Viertel eines millionstel Meters ragen Dutzende winziger Zylinder aus dem Halbleitermaterial Galliumarsenid in die Höhe, angeordnet auf einer Unterlage aus Siliziumdioxid. Konzipiert von Wissenschaftlern in Singapur ließ sich dieses Areal mit einem weiteren Laser zur Aussendung von Laserlicht anregen. Wie die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, konnte die Wellenlänge des Lasers über Größe und Anordnung der Nanozylinder als auch über die Temperatur gezielt verändert werden. Solche extrem flachen und daher sogar durchsichtigen Laserlichtquellen könnten in Zukunft in optische Chips integriert werden, die digitale Berechnungen mit Lichtteilchen sehr viel schneller durchführen sollen als heutige Prozessoren mit Elektronen.

Nanoantenne nennt Arseniy Kuznetsov von der Agency for Science, Technology and Research A*STAR in Singapur jeden einzelnen Zylinder aus Galliumarsenid. Denn dank der besonderen optoelektronischen Eigenschaften können diese Halbleiter-Strukturen einfallendes Licht absorbieren, umlenken und sogar wieder Licht abstrahlen. Theoretische Modelle legten bereits nahe, dass sich aus diesen Nanoantennen sogar flache Laser mit einer genau definierten Wellenlänge bauen lassen sollten. „Aber dieses wichtige Puzzlestück bei der Entwicklung von Nanoantennen-Modulen fehlte bisher“, sagt Kuznetsov. Diese Lücke konnte er nun gemeinsam mit seinen Kollegen mit dem ersten Prototyp eines Nanoantennen-Lasers schließen.

Dazu deponierte das Team zuerst eine hauchdünne Schicht aus Galliumarsenid auf einer Siliziumdioxid-Oberfläche. Mit Elektronenstrahlen und lithografischen Ätzprozessen formten sie daraus eine symmetrische Struktur aus zahlreichen Nanozylindern. Jeder Nanozylinder war etwa 100 Nanometer dick, 250 Nanometer hoch und bildete mit seinen Nachbarn das optoelektronisch aktive Areal. Diese Strukturen regten die Forscher mit kurzen Laserpulsen mit 780 Nanometer Wellenlänge an. Dadurch entstand eine sogenannte vertikale Dipolresonanz in jedem einzelnen Zylinder. Diese Resonanz verursachte die Emission von Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 830 Nanometern.

Damit dieses Laserlicht auch aus dem Areal entweichen konnte, positionierten die Forscher ihre Nanozylinder in Abständen von 300 Nanometern entlang einer Achse und 540 Nanometern in der anderen Richtung. Gerade der größere der beiden Abstände ermöglichte es, dass das Laserlicht gebeugt und unter einem festen Winkel nach oben abgestrahlt wurde. Danach vergrößerten die Forscher zusätzlich den Durchmesser der Nanozylinder auf bis zu 140 Nanometer. Mit zunehmender Dicke verschob sich die Wellenlänge des Laserlichts von 830 Nanometer auf 850 Nanometer. Sowohl die Abstände zwischen den Zylindern als auch die Temperatur des gesamten Areals wirkten sich auf die Lichtemission aus. So verschob sich die Wellenlänge des Laserlichts auf bis zu 920 Nanometer weiter in den Infrarot-Bereich.

Mit diesem Experiment zeigten Kuznetsov und Kollegen erstmals, dass symmetrisch aufgebaute Areale aus zylindrischen Nanoantennen für den Bau von flachen Lasern mit variabler Wellenlänge geeignet sind. Mit anderen Materialien außer Galliumarsenid und anderen Abständen zwischen den Nanozylindern wollen sie das Potenzial dieser Laser noch weiter untersuchen. Für eine mögliche Anwendung dieser Laser in Photonik-Chips oder auch neuartige Leuchtdioden müsste die derzeit angewandte optische Anregung mit einem weiteren Laser noch auf eine rein elektrische Anregung mit angelegten Spannungen umgestellt werden.