Nanolaser mit Plasmonen

Im bislang kleinsten Nanolaser für sichtbares Licht kommt es zur stimulierten Emission von Oberflächenplasmonen.

Oberflächenplasmonen – das sind elektronische Dichtewellen, die in der Grenzfläche zwischen einem Metall und einem Dielektrikum lokalisiert sind – eröffnen neue Möglichkeiten für die Nanophotonik und die Optoelektronik. Die Plasmonen werden durch infrarotes oder sichtbares Licht angeregt. Sie haben die Frequenz des anregenden Lichts doch eine viel kleinere Wellenlänge von weniger als 100 nm. Dank dieser Eigenschaft der Plasmonen kann man plasmonisch-elektrooptische Bauelemente realisieren, die wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge des zu verarbeitenden Lichtes. Jetzt haben Forscher an der Norfolk State University in Virginia Nanopartikel mit Hilfe von Oberflächenplasmonen dazu gebracht, sichtbares Laserlicht abzustrahlen.

Hinter dem neuen Nanolaser, den Mikhail Noginov und seine Kollegen entwickelt haben, steht die Idee des „Spasers“, die 2003 von David Bergman und Mark Stockman veröffentlicht worden war. Bei der „Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation“ erzeugt man durch optisches Pumpen kohärente Oberflächenplasmonen, ähnlich wie in einem Laser kohärente Photonen. Das ist möglich, da die Plasmonen bosonische Teilchen sind. Zwar erleiden die Plasmonen starke Verluste und werden merklich gedämpft. Doch oberhalb einer bestimmten Pumpstärke sollte die stimulierte Emission alle Verluste überwinden, sodass es zur laserähnlichen Emission von Plasmonen einer bestimmten Frequenz kommt. Gelingt es, die Plasmonen kohärent in Licht umzuwandeln, so hätte man einen „lasing Spaser“, also einen plasmonischen Nanolaser. Soweit die Theorie. 

Noginov und seine Mitarbeiter haben nun nicht nur den ersten funktionierenden Spaser hergestellt sondern mit ihm auch gleich Laserlicht erzeugt und damit den bislang kleinsten Nanolaser realisiert. Dazu haben sie eine wässrige Emulsion aus Nanopartikeln verwendet, die jeweils einen ca. 14 nm großen Goldkern hatten, der von einer 15 nm dicken Quarzschicht umschlossen war. Die Quarzschicht enthielt den organischen Farbstoff Oregon Green 488, der von Laserlicht zum Leuchten gebracht wurde und dadurch Oberflächenplasmonen in der Grenzfläche zwischen Gold und Quarz anregte.

Wurde die Emulsion mit 5 ns langen Pulsen von blauem Laserlicht bei 488 nm Wellenlänge gepumpt, so strahlte sie grünes Licht ab. Oberhalb eines Schwellenwertes für die Pumpstärke, der bei etwa 4 µJ lag, nahm die Emission rasch mit der Pumpstärke zu und die emittierte Strahlung hatte einen scharfen Peak bei 531 nm. Die stimulierte Emission rührte von den einzelnen Nanopartikeln her und war kein kooperativer Effekt der etwa 300 Mrd. Teilchen pro cm³. Das zeigten die Forscher, indem sie die Teilchenkonzentration in der Emulsion etwa hundertfach verdünnten. Die Intensität der emittierten Strahlung nahm daraufhin zwar erheblich ab, doch die Form ihrer scharfen Spektrallinie änderte sich nicht.

In jedem einzelnen Nanoteilchen waren stimuliert Oberflächenplasmonen angeregt worden, die in photonische Moden ausgekoppelt werden konnten. Oberhalb der Laserschwelle gab jedes der 44 nm großen Teilchen kohärentes Licht in einem engumrissenen Frequenzbereich ab und war damit zum Laser geworden. Diese Nanolaser waren etwa zehnmal kleiner als die Wellenlänge des von ihnen emittierten Lichtes – ein einsamer Rekord! Sowohl dieser Nanolaser als auch die stimulierte Emission von lokalisierten Plasmonen könnten in der Nanophotonik und der Optoelektronik Anwendung finden.

RAINER SCHARF

• Gruppe von Mikhail Noginov an der Norfolk State University in Virginia:
  http://vigyan.nsu.edu/~cmr/noginovs_group.htm

• M. A. Noginov et al.: The effect of gain and absorption on surface plasmons in metal nanoparticles. Appl. Phys. B 86, 455 (2007)
  http://vigyan.nsu.edu/~cmr/noginovpublications/2006/87%202006%20APB%20SP.pdf (frei!)

• M. A. Noginov et al.: Compensation of loss in propagating surface Plasmon polariton by gain in adjacent dielectric medium. Opt. Express 16, 1385 (2008)
  http://vigyan.nsu.edu/~cmr/noginovpublications/2008/98%202008%20OE%20SPP%20with%20gain.pdf (frei!)

• M. A. Noginov et al.: Stimulated emission of surface plasmon polaritons. Phys. Rev. Lett. 101, 226806 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.101.226806

• D. J. Bergman & M. I. Stockman: Surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation: quantum generation of coherent surface plasmons in nanosystems. Phys. Rev. Lett. 90, 027402 (2003)
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.90.027402

KP