Spaser – weltkleinster Laser aus Galliumnitrid

Sollen Computerchips in Zukunft digitale Daten mit Photonen statt mit Elektronen verarbeiten, sind winzige und zugleich effiziente Lichtquellen erforderlich. Mit einem Nanolaser auf der Basis des Verbindungshalbleiters Galliumnitrid gelang Forscher aus Taiwan und den USA nun ein Schritt in diese Richtung. Aufgebaut aus einem ummantelten, kristallinem Stäbchen mit nur 30 Nanometer Durchmesser zählt der Prototyp zu den bisher kleinsten Halbleiter-Lasern der Welt.

„Bisher basieren die meisten plasmonischen Module auf einem polykristallinen Silberfilm, in dem es Streuverluste an Plasmonen wegen der Rauigkeit und Korngrenzen gibt“, sagt Ken Shih von der University of Texas in Austin. Diesen Nachteil konnte er zusammen mit Kollegen der National Tsing-Hua University in Hsinchu aus dem Weg räumen. Dazu deponierten sie ein kristallines Nanostäbchen aus dem Verbindungshalbleiter Galliumnitrid mit einem Kern aus Indiumgalliumnitrid auf einer hauchdünnen Silberoberfläche. Optisch angeregt mit einem Diodenlaser bei 405 Nanometer Wellenlänge emittierte der Nanolaser korrelierte grüne Laserpulse mit Intensitätsmaxima bei 510 und 522 Nanometer.

Verantwortlich für diese Lichterzeugung sind spezielle Schwingungszustände in dem Nanostäbchen, die Plasmonen. Bei diesen Schwingungen zwischen verschiedenen Energieniveaus entstand die grüne Lichtemission. Wegen der wichtigen Rolle der Plasmonen wird dieser Lasertyp in Fachkreisen auch Spaser kurz für Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Neu ist dieses Laser-Prinzip allerdings nicht. 2003 sagten israelische und amerikanische Forscher das Funktionieren einer  solch winzigen Lichtquelle voraus. 2009 schließlich gelang es Mikhail Noginov von der Norfolk State University und seinen Kollegen von der Purdue und der Cornell University, einen ersten Spaser aus einem mit Natriumsilikat ummantelten Goldkörnchen herzustellen. Das Modul emittierte ebenfalls grünes Licht bei 531 Nanometer Wellenlänge, war aber insgesamt noch größer als der nun vorgestellte Spaser.

„Nun lässt sich die Integration von nanoelektronischen und nanophotonischen Elementen in einer einzigen Technologieplattform vorstellen“, sagt Ken Shih. Denn da jedes Nanostäbchen kaum dicker ist als 30 Nanometer, erreicht es die Größenordnung von elektronischen Komponeten in heutigen Computerchips. „Die Größenunterschiede zwischen elektronischen und photonischen Elementen stellten bisher eine enorme Hürde für die optische Datenverarbeitung auf einem Chip dar“, erklärt Shih. Und genau dieses Problem lässt sich mit dem neuen Nanolaser lösen.

In weiteren Experimenten gilt es nun, den neuen Nanolaser mit elektronischen Komponenten auf einem einzigen Chip zu verknüpfen. So könnten in einigen Jahren erste Prototypen entstehen, in denen digitale Daten mit Hilfe von Lichtteilchen um ein Vielfaches schneller verarbeitet werden als mit den heute verfügbaren rein elektronischen Schaltkreisen.

Jan Oliver Löfken

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