Nano-Pyramiden als optische Resonatoren

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben die Arbeitsgruppen von Michael Hetterich und Heinz Kalt jetzt einige nur hundert Nanometer hohe Pyramiden entwickelt, in denen eingestrahltes Laserlicht mit so genannten Quantenpunkten in Wechselwirkung tritt.

Durch die Energie des Laserlichts angeregt, geben die Quantenpunkte Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich ab. In der Pyramide, die aus der Halbleiter-Verbindung Galliumarsenid besteht, wird dieses „neue“ Licht „eingesperrt“ und erst nach einiger Zeit wieder abgestrahlt. Die Pyramide selbst steht auf einem besonderen Spiegel. Zusammen mit den vier Pyramidenflächen reflektiert er das Licht, sodass es im Inneren der Struktur eingeschlossen ist. Bestimmte Lichtwellen überlagern und verstärken sich dabei – ein Phänomen, das als Resonanz bezeichnet wird. Bauelemente, die darauf beruhende quantenoptische Effekte ausnutzen, könnten in Zukunft vielleicht dazu dienen, Licht zu manipulieren. Sie wären damit die technologische Basis für neuartige Quantencomputer, die in einigen Bereichen deutlich schneller und effizienter als heutige Rechner arbeiten würden.

Um die Pyramiden herzustellen, kombinieren die Forscher am Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN) des KIT zwei Verfahren. Mittels der Molekularstrahl-Epitaxie tragen sie einzelne Materialschichten auf, die nur einige hundert Atomdurchmesser dick sind. Anschließend tauchen sie die Probe in eine Lösung aus Phosphorsäure, Wasserstoffperoxid und Wasser, das die einzelnen Schichten unterschiedlich stark wegätzt. Dabei bestimmt das Mischungsverhältnis der Zutaten die Neigung der Pyramidenseiten. Entscheidend für die eigentliche Funktion der Strukturen ist aber ihr Innenleben: In die Pyramiden werden Quantenpunkte mit eingebaut, die aus wenigen Tausend Atomen eines anderen Materials bestehen und den gleichmäßigen Aufbau des Galliumarsenid gezielt stören. Wenn sie mit Laserlicht angeregt werden, strahlen sie selbst wieder Licht mit einer anderen Wellenlänge ab. Der optische Resonator verstärkt die Licht-Materie-Wechselwirkung und erhöht somit die Ausbeute an abgestrahltem Licht mit bestimmten Wellenlängen.

Abb.: Eine solche Nano-Pyramide wird in zwei Stufen hergestellt: Zuerst werden mithilfe der Molekularstrahl-Epitaxie einzelne Materialschichten aufgetragen, um sie in einem zweiten Schritt unterschiedlich stark wegzuätzen. (Quelle: Uni Karlsruhe)

Noch sind andere optische Resonatoren den Karlsruher Nano-Pyramiden in einigen Punkten überlegen. „Aufgrund des neuen Herstellungsverfahrens können wir aber ihre Geometrie und ihren Aufbau gezielter variieren. Damit lassen sich ihre Eigenschaften im Vergleich zu bisher bekannten Strukturen besser kontrollieren“, erläutert der Physiker Matthias Karl, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe von Heinz Kalt. Viel versprechend sei zudem die Möglichkeit, Pyramiden in Gruppen zusammenzuschließen und somit gekoppelte Strukturen zu schaffen, die im Hinblick auf die Quanteninformationsverarbeitung besonders interessant sind. Dieses Potenzial sah wohl auch die Fachzeitschrift Nature Photonics, die die Arbeit aus Karlsruhe in ihrer Rubrik „News & Views“ vorstellte.

Quelle: Universität Karlsruhe (TH)

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  F. M. Weber et al., Optical modes in pyramidal GaAs microcavities, Appl. Phys. Lett. 90, 161104 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1063/1.2723688
• Kommentar:
  Rachel Won, Microcavities: Pyramidal resonators. Nature Photonics 1, 317 (2007)
  http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2007.88
• DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN)
  http://www.cfn.uni-karlsruhe.de
• KIT - die Kooperation von Forschungszentrum Karlsruhe GmbH und Universität Karlsruhe (TH):
  http://www.KIT.edu