Ein Nanolaser aus Gold und Zinkoxid

Winzige, aus Metallen und Halbleitern zusammen­gesetzte Partikel könnten in Bauteilen zukünftiger optischer Computer als Lichtquelle dienen, weil sie einfallendes Laser­licht extrem konzen­trieren und verstärken. Wie dieser Prozess funktioniert, hat ein Team aus Deutschland und Schweden um die Oldenburger Physiker Christoph Lienau und Jin-Hui Zhong nun erstmals aufgeklärt. Die Physiker stellten für ihre Studie Nano-Materia­lien her, die die optischen Eigenschaften von Metallen und Halbleitern kombinieren. Den Ausgangspunkt der Untersuchung bildeten schwamm­artige Teilchen aus Gold mit einem Durchmesser von einigen Nanometern und Poren mit einer Größe von rund zehn Nanometern. Die Material­wissenschaftler Dong Wang und Peter Schaaf von der Technischen Universität Ilmenau stellten diese Metall­schwämme her und entwickelten ein Verfahren, um sie mit einer dünnen Schicht aus dem Halbleiter Zinkoxid zu überziehen. Das Material dringt dabei auch in die winzigen Poren ein.

Die so herge­stellten Teilchen sind in der Lage, die Farbe von einfallendem Licht zu verändern. Bestrahlt man sie etwa mit dem Licht eines roten Lasers, geben sie kurzwelligeres, blaues Laserlicht ab. Die abgestrahlte Farbe hängt dabei von den Eigenschaften des Materials ab. „Solche nichtlinearen optischen Nano­materialien herzu­stellen ist eine der großen Heraus­forderungen der der­zeitigen Optik-Forschung“, berichtet Lienau. In zukünftigen optischen Computern, die mit Licht statt mit Elektronen rechnen, könnten derartige Nanopartikel als winzige Licht­quellen dienen. „Man könnte solche Partikel auch als Nanolaser bezeichnen“, ergänzt Zhong. Mögliche Einsatzorte wären beispiels­weise ultra­schnelle optische Schalter oder Transis­toren. 

Um aufzuklären, wie die Nano­materialien Licht einer Farbe in eine andere umwandeln, nutzten Team­mitglieder um Anne L’Huillier und Anders Mikkelsen von der Universität Lund ein besonderes mikro­skopisches Verfahren, die ultra­schnelle Photo­emissions-Elektronen­mikroskopie. Mit Hilfe von extrem kurzen Lichtblitzen konnten sie nachweisen, dass Licht tatsächlich effizient in den Nanoporen konzentriert wird – eine wichtige Voraussetzung für zukünftige Anwendungen. Erich Runge, Physiker von der Technischen Universität Ilmenau, simulierte die Eigen­schaften des Materials zusätzlich mit theoretischen Modellen. Wie das Team berichtet, bieten aus Metallen und Halbleitern zusammen­gesetzte Nano­partikel wahr­scheinlich neue Möglichkeiten, um die Eigenschaften des abgestrahlten Lichtes nach Wunsch zu justieren. „Unsere Studie liefert grundlegende neue Einblicke dazu, wie hybride Metall-Halbleiter-Nanostrukturen Licht verstärken“, sagt Zhong. Darüber hinaus könnten die Beobach­tungen dazu beitragen, Materialien mit noch besseren optischen Eigenschaften zu entwickeln. 

Die Oldenburger Arbeits­gruppe „Ultraschnelle Nano-Optik“ um Christoph Lienau ist darauf speziali­siert, Vorgänge in der Nanowelt mit besonders hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Dabei gelangen den Physikern schon mehrfach entscheidende Durch­brüche. Erst kürzlich entwickelten sie eine Art Superlinse aus Gold mit zuvor uner­reichter optischer Auflösung.

U. Oldenburg / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J.-H. Zhong et al.: Nonlinear plasmon-exciton coupling enhances sum-frequency generation from a hybrid metal/semiconductor nanostructure, Nat. Commun. 11, 1464 (2020); DOI: 10.1038/s41467-020-15232-w
• Ultraschnelle Nano-Optik (C. Lienau), Universität Oldenburg