Laser am Speedlimit
Halbleiter-Nanolaser aus Jena schaltet unter einer Pikosekunde.
Eine Billion Schaltvorgänge pro Sekunde: Auf diesen Spitzenwert bringen es die Halbleiter-Nanolaser, die Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena gemeinsam mit Fachkollegen des Imperial College in London entwickeln. Schnelligkeit, so erläutert Carsten Ronning von der Uni Jena, bedeute in diesem Fall die Geschwindigkeit des An- und Abschaltens des Lasers, und nicht die Dauer der Laserpulse. „Während die schnellsten Laser typischerweise einige Nanosekunden für einen Schaltvorgang brauchen, dauert eine Schaltung unserer Halbleiter-Nanolaser weniger als eine Pikosekunde und ist damit tausend Mal kürzer“, so der Festkörperphysiker.
Abb.: Schema der Geometrie und der Emission eines Nanodrahts, der von zwei Pump-Laserpulsen angeregt wird; das Inset zeigt einen lasenden Nanodraht. (Bild: T. P. H. Sidiropoulos, NPG)
Für ihre Nanolaser nutzen die Wissenschaftler winzige Drähte aus Zinkoxid. Diese haben mit wenigen hundert Nanometern gerade einmal ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares und sind nur etwa einige Mikrometer lang. Ihre Eigenschaften machen die Nanodrähte zum aktiven Lasermedium und zugleich zu Resonatoren. „Licht wird an den Enden der Drähte, wie an einem Spiegel, reflektiert und verstärkt sich beim Durchlauf durch den Nanodraht“, sagt Robert Röder, einer der Autoren der Publikation.
Dass sich Nanodrähte prinzipiell als Laser eignen, war bereits bekannt. Neu an der jetzt veröffentlichten Entwicklung ist jedoch die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Lasers grundlegend modifizieren zu können. Dazu haben die Physiker die Nano-Halbleiter mit einer metallischen Schicht kombiniert, wobei zwischen beiden ein minimaler Zwischenraum von zehn Nanometern Breite bleibt, der das Lichtfeld einschnürt. „Auf diese Weise wird die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie beschleunigt“, sagt Robert Röder. Dies sei nicht nur „Weltrekord“ was die Schaltgeschwindigkeit des Lasers betrifft. „Wir haben damit sehr wahrscheinlich auch die Maximalgeschwindigkeit erreicht, mit der sich ein solcher Halbleiter-Laser überhaupt schalten lässt.“
Anwendungsmöglichkeiten für die ultraschnellen und Nanometer-kleinen Laser bieten sich vor allem als optische Transistoren und als Sensoren. „Mit solch kleinen Sensoren ließen sich beispielsweise einzelne Moleküle oder Keime in der medizinischen Diagnostik nachweisen“, macht Ronning deutlich.
FSU / PH
