Vom Laser zum Spaser

US-Forscher haben den ersten Prototyp eines Halbleiter-Plasmonen-Lasers entwickelt, der auch bei Zimmertemperatur betrieben werden kann – und dank seiner geringen Abmessungen den Weg zu neuen Anwendungen eröffnet.

Laser sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Ausgereizt sind sie aber noch lange nicht: Gelänge es, sie in winzigen Abmesssungen zu konstruieren, würden sich völlig neue Möglichkeiten für Biosensoren, Rechner und optische Datenübertragung eröffnen. Diesem Ziel sind nun Forscher der University of California in Berkeley einen Schritt näher gekommen: Sie haben den ersten Prototyp eines Halbleiter-Plasmonen-Lasers entwickelt, der auch bei Zimmertemperatur betrieben werden kann.

Während herkömmliche Laser Licht verstärken, funktionieren diese „Spaser“ (für: „Surface Plasmons Amplified by Stimulated Emission of Radiation“) über die Verstärkung von so genannten Plasmonen. Dies sind kollektive Schwingungen von Elektronen in Metallen oder Halbleitern, die etwa durch einfallendes Licht angeregt werden. Mittels Plasmonen werden Anwendungen möglich, die Lichtwellen nicht leisten können. Photonen können zum Beispiel nicht auf Flächen begrenzt werden, deren Ausdehnung kleiner als ihre halbe Wellenlänge ist – im Falle von sichtbarem Licht etwa 250 Nanometer. Diese Länge stellt damit eine Grenze der Miniaturisierung herkömmlicher Laser dar.

Plasmonen hingegen passen in viel kleinere Abmessungen hinein, können aber auch in Lichtwellen verwandelt werden. Das macht sie interessant für optische Schaltkreise, die hundert Mal schneller arbeiten können als die schnellsten elektronischen Schaltkreise von heute.

Entwickelt wurde der Spaser-Prototyp von den Berkeley-Ingenieuren Xiang Zhang, Ren-Min Ma und Rupert Oulton. Im Unterschied zu bisherigen Spaser-Konstruktionen verwendet er einen Halbleiter.

Der neue Prototyp besteht aus einem Stück Kadmiumsulfid, das 45 Nanometer dick ist und eine Kantenlänge von einem Mikrometer hat. Kadmiumsulfid wird bislang vor allem in Solarzellen und lichtgesteuerten Fotowiderständen eingesetzt. Die quadratische Halbleiterscheibe sitzt auf einer fünf Nanometer dicken Schicht Magnesiumfluorid, die wiederum auf einer Silberfolie aufliegt.

Trifft nun der Strahl eines handelsüblichen Lasers auf das Kadmiumsulfid, werden darin Plasmonen angeregt. Diese sind jedoch in dem Stück eingeschlossen und werden von dessen Kanten hin und her reflektiert. Nur fünf Prozent der Strahlung können dem Halbleiter entkommen, so dass die Oberflächenplasmonen in einen Lasermodus übergehen – also im Gleichtakt schwingen, wie die Forscher in Nature Materials beschreiben.

„Lange Zeit wurde kritisiert, dass Plasmonen-Laser nur bei sehr niedrigen Temperaturen funktionieren“, sagt Martin Hill, Elektroingenieur an der Technischen Universität Eindhoven, der ebenfalls an Nanolasern forscht. „Dieser Spaser ist ein interessantes Demonstrationsobjekt, ein Schritt hin zu nützlichen Geräten, der andere ermutigen wird, sich genauer mit Plasmonenmodus-Laser zu beschäftigen.“

Zwar hat es bereits vorher Spaser-Prototypen gegeben, die ebenfalls bei Zimmertemperatur funktioneren. Sie enthielten aber Farbstoff-basierte Materialien, die nur mit Lichtpulsen – durch so genanntes optisches Pumpen – zum Lasern angeregt werden konnten. Dadurch waren ihre Anwendungsmöglichkeiten eingeschränkt. Der Spaser der Berkeley-Gruppe könne hingegen auch mit Hilfe von elektrischem Strom „gepumpt“ werden, sagt Rupert Oulton. Das sei ein entscheidender Vorteil, denn „wir müssen reale Laserbausteine am Ende in Chipsätze integrieren können, daran führt kein Weg vorbei.“

Hill ist zwar begeistert von dem Prototyp der Berkeley-Forscher. Elektrisch gepumpte Laser seien technisch aber viel anspruchsvoller zu bauen. „Bei Lasern aus photonischen Kristallen hat es Jahre gedauert, um von einem optisch gepumpten zu einem funktionierenden elektrisch gepumpten System zu kommen“, weiß Hill.

Der jetzige Prototyp kann nur innerhalb des Kadmiumsulfid-Kristalls lasern, aber keinen nennenswerten Lichststrahl produzieren, der den Kristall verlässt – so wie bei herkömmlichen Lasern. Damit eigne er sich momentan nur für hochempfindliche biologische oder medizinische Anwendungen, in denen man einzelne Moleküle nachweisen wolle, räumt Ren-Min Ma ein. Dies könnte gelingen, weil in der dielektrischen Magnesium-Fluorid-Schicht unterhalb des Halbleiterblocks Wechselwirkungen zwischen austretendem Licht und Materie deutlich verstärkt würden.

Die Gruppe kann auch das aus dem Spaser austretende Licht so modulieren, dass es sich für optische oder plasmonische Schaltkreise nutzen lässt. In diesen dienten Plasmonen als Informationsträger, so Ma. Eine weitere denkbare Anwendung wäre, mit Hilfe des Spasers in der Photolithographie – dem Standardverfahren zur Herstellung von Chips – Lichtstrahlen so zu bündeln, dass Strukturgrößen von unter 20 Nanometern möglich werden. Rein optische Laser können unterhalb dieser Schwelle nicht mehr eingesetzt werden.

Ein Potenzial könnte der Spaser auch für dichtere Speichermedien wie DVDS oder Festplatten haben. Sowohl in der Strahlbündelung als auch in der Speichertechnik müssten aber noch plasmonische Linsen hinzugefügt werden, sagt Ma. An diesen arbeitet die Gruppe von Xiang Zhang ebenfalls.

Als großen Pluspunkt für eine Kommerzialisierung sehen Zhang und seine Kollegen die Verwendung von Halbleitermaterialien, die bereits heute in der Computertechnik eingesetzt werden. Ma hält die Integration von Spasern in bestehende Produktionsabläufe für „sehr einfach“. Den ersten elektrisch gepumpten Spaser hofft die Gruppe in zwei Jahren fertig zu haben.


Das Paper:
Ma, R. et al., „Room-temperature sub-diffraction-limited plasmon laser by total internal reflection“, Nature Materials, 19.12.2010 (Abstract )
(nbo)