Fast schwellenloser Nanolaser

Wie klein, wie energieeffizient kann ein Laser sein? Die Suche nach dem ultimativen Nanolaser für die Informations­technologie der Zukunft beschäftigt Forscher­gruppen weltweit. Im Rahmen einer inter­nationalen Kooperation ist es Stephan Reitzen­stein vom Institut für Fest­körper­physik an der TU Berlin und seinen Projekt­partnern nicht nur gelungen, einen extrem kleinen und hoch­effizienten Nano­laser zu bauen, sondern erstmalig auch dessen Lasereigenschaften über die quanten­optische Messung der Emissions­statistik eindeutig nach­zuweisen.

„Energieeffizienz beschäftigt nicht nur die Hersteller von Elektro­autos, sondern ist auch ein Thema in der ‚On-Chip-Photonik‘, also Mikro­chips, auf denen die Daten­übertragung und -verarbeitung mehr und mehr auf der Basis von Licht geschieht“, sagt Reitzen­stein. „Das Besondere an zukünftigen Nano­lasern ist, dass diese am Übergang zur Quanten­optik, also in dem Bereich einzelner Photonen, operieren.“ In der Praxis bedeutet dies: Es ist nicht nur besonders schwierig, solche Nano­laser herzustellen. Die spezielle Heraus­forderung liegt vor allem auch darin, die Laser­emission überhaupt eindeutig nachzuweisen.

Laserlicht entsteht generell in einem optischen Resonator, wenn einem sich darin befindenden Laser­medium ausreichend Energie zugeführt wird. Das Problem: Die zugeführte Energie, die Pump­leistung, muss ein gewisses Limit – die Laser­schwelle – überschreiten, damit das Laser­medium nicht nur Licht, sondern Laser­licht emittiert.

„Das liegt daran, dass zunächst ein Großteil der zugeführten Energie in Photonen umgewandelt wird, ohne dass diese in den beabsichtigten Laserstrahl einkoppeln. Bei gewöhnlichen Halb­leiter­lasern, wie man sie zum Beispiel in jedem CD- oder DVD-Player antrifft, wird tatsächlich nur jedes hundert­tausendste Photon in den Laser­strahl eingekoppelt. Alle anderen Photonen gehen verloren. Erst wenn die Pump­stärke diese Verluste ausgleicht, kann Laser­licht entstehen“, so Reitzen­stein, der das Phänomen gerne mit einem löchrigen Eimer vergleicht: „Der löchrige Eimer symbolisiert den Resonator. Der Wasser­schlauch, mit dem wir den Eimer befüllen, ist vergleichbar mit der Pump­quelle, welche den Resonator mit Photonen füllt. Ziel ist es, in dem Eimer einen gewissen Pegel­stand zu erreichen, Sinn­bild für die Laser­schwelle. Soll nun ein energie­effizienter Nanolaser mit niedriger Laser­schwelle gebaut werden, muss der Resonator möglichst klein und dicht sein. Im Grenzfall eines ultimativen schwellen­losen Nano­lasers gelingt es quasi, alle ‚Löcher zu stopfen‘, so dass jedes eingebrachte Photon in die Lasermode einkoppelt.“

Gelungen ist das jetzt durch eine extreme Verkleinerung des Resonators. Die Breite des hier untersuchten Nano­lasers beträgt lediglich rund 200 Nanometer. Zum Vergleich: Der Durch­messer eines menschlichen Haares liegt bei etwa 60.000 Nano­metern. „Die hoch­präzise Struktur des Resonators führt dazu, dass im Mittel mehr als 7 von 10 zugeführten Photonen – und nicht nur jedes hundert­tausendste wie bei einem normalen Laser – effektiv für den Laser­betrieb nutzbar sind. „Damit sind wir dem ultimativen schwellen­losen Laser bereits sehr nahe gekommen“, erläutert Reitzenstein.

Für die Charakterisierung der Nanolaser kamen hoch­empfindliche Detektoren und aufwändige Analyse­methoden zum Einsatz: So wird mit einem quanten­optischen Experiment die Photonen­statistik des emittierten Lichts ermittelt, welche charakteristisch für die Laser­emission ist. Nur durch diesen komplexen Aufbau gelang erstmals der eindeutige Beweis, dass es sich bei dem Licht aus dem Nano­resonator auch tatsächlich um Laser­licht handelt und dieser nicht lediglich als Leucht­diode fungiert.

„Insbesondere demonstrieren wir, dass etablierte ‚Lasing-Kriterien’ für Nanolaser an Bedeutung verlieren und Laserlicht letztendlich nur quanten­optisch nachgewiesen werden kann“, erklärt Stefan T. Jagsch, der als Doktorand von Stephan Reitzenstein die experimentellen Arbeiten feder­führend durchgeführt hat.

TU Berlin / DE