Weniger lasert mehr – und umgekehrt
Gekoppeltes Lasersystem schaltet sich bei mehr Energiezufuhr aus und bei weniger wieder ein.
Schallwellen verhallen, Wasserwellen verebben, ein Lichtstrahl wird von einer Wand verschluckt. Dass Wellen absorbiert werden, ist ein ganz alltägliches Phänomen. Trotzdem erkannte die Physik erst in den letzten Jahren, welche neuen Möglichkeiten sich ergeben, wenn man diesen Verlust von Energie nicht als lästiges Ärgernis, sondern als erwünschten Effekt betrachtet. An der TU Wien haben Forscher nun ein System aus zwei gekoppelten Lasern hergestellt, bei dem die Balance aus Energiezufuhr und Verlust zu einem paradoxen Verhalten führt: Zusätzliche Energie kann den Laser ausschalten, oder eine Reduktion der Energie den Laser einschalten. Auf diese Weise könnte man logische Schaltungen bauen, die mit Licht funktionieren.
Abb.: Elektronenmikroskopische Aufnahme der gekoppelten Quantenkaskadenlaser. Durch die beiden Drähte wird den Lasern die nötige Energie zugeführt. (Bild: TU Wien)
„Normalerweise hängt die Lichtintensität eines Lasers auf recht einfache Weise von der Energie ab, die man hineinsteckt“, sagt Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Führt man zu wenig Energie zu, geschieht gar nichts. Überschreitet man eine kritische Schwelle, beginnt der Laser zu leuchten, und je mehr Energie man zuführt, umso stärker leuchtet er.“
Doch es geht auch anders. Zwei mikroskopisch kleine kreisförmige Laser haben die Wissenschaftler in Wien miteinander gekoppelt, sodass ein Gesamtsystem entsteht, in dem die komplizierte Balance von Energiezufuhr und Energieverlust erstaunliche physikalische Effekte hervorruft: Zwei Laser, die sonst leuchten würden, schalten sich gegenseitig aus, wenn man sie koppelt. Mehr Energie führt dann nicht zu mehr Licht, sondern zu völliger Dunkelheit. Umgekehrt kann auch eine Reduktion der Energiezufuhr dazu führen, dass plötzlich das Licht angeht.
Abb.: Simulation der Lasermoden, die in diesem System angeregt werden (Bild: TU Wien)
„Zunächst stießen wir in einer Computersimulation auf diesen Effekt, und waren ziemlich verblüfft von unseren Ergebnissen“, erzählt Stefan Rotter. Nun ist es gelungen, das vor zwei Jahren vorhergesagte Phänomen experimentell zu bestätigen – in einem Gemeinschaftsprojekt zwischen den Fachrichtungen Physik, Elektrotechnik und Mathematik der TU Wien und der Universität Princeton. Für das Experiment fanden sogenannte Terahertz-Quantenkaskadenlaser mit einem Durchmesser von weniger als einem Zehntelmillimeter Verwendung. „Diese Mikro-Laser sind für solche Experimente besonders gut geeignet, weil ihre optischen Eigenschaften genau angepasst werden können und ihre Wellenlänge recht groß ist“, sagt Martin Brandstetter vom Institut für Photonik der TU-Wien. Dadurch gelangt die Lichtwelle leicht von einem Laser in den anderen.
Die Absorption von Wellen wird in der Physik meist als unerwünschter Nebeneffekt betrachtet. „Man geht bei theoretischen Berechnungen meist vom perfekten Fall aus, in dem es keine Dissipation gibt“, erklärt Rotter. Doch Perfektion ist manchmal einfach langweilig – die interessanten Kopplungseffekte der beiden Laser werden nur sichtbar, wenn man auf ihnen eine speziell absorbierende Metallschicht anbringt, die einen Teil des Lichts absorbiert. Für das paradoxe Verhalten der Laser ist ein kompliziertes mathematisches Phänomen verantwortlich: Das Auftreten sogenannter „Ausnahmepunkte“ – spezielle Schnittpunkte von Flächen in komplexen Räumen, die bei der Berechnung der Zustände des Laser-Systems auftreten. Immer wenn die mathematischen Gleichungen solche Ausnahmepunkte hervorbringen, treten physikalisch recht merkwürdige Phänomene auf.
Solche Kopplungen von Lasern könnten zu neuen elektro-optischen Schaltungen führen. Ähnlich wie heute elektronische Bauteile Input-Signale zu einem Output-Signal verarbeiten, könnte man das auch mit optischen Bauteilen tun. Gekoppelte Mikro-Laser wären dafür ideal: Sie sind leicht auf einem kleinen Chip unterzubringen, und wie sich nun zeigt, bieten sie ein breites Repertoire an nicht-trivialen Schaltungsmöglichkeiten.
TU Wien / DE
