Vollfarblaser aus Quantenpunkten

Quantenpunkte sind nur wenige Nanometer große Halbleiter-Kristalle, die helles, fluoreszierendes Licht abgeben, wenn sie elektronisch angeregt werden. Die Farbe dieses Fluoreszenzlichtes lässt sich leicht über die Größe der Nanokristalle regeln, die sich heute mit einfachen und kostengünstigen chemischen Prozessen herstellen lassen. Verwendet werden Quantenpunkte bereits bei bildgebenden Verfahren in der Medizin und demnächst wohl auch in Photovoltaik-Zellen und LEDs. Durchstimmbare Laser mit regelbarer Wellenlängen auf der Basis von Quantenpunkten waren bislang jedoch nicht möglich, obwohl die Technologie als idealer Kandidat gilt.

Dementsprechend revolutionär ist eine Arbeit von Victor Klimov und seinen Kollegen am Los Alamos National Laboratory im amerikanischen Bundesstaat New Mexico. Ihnen gelang es erstmals, eine Lichtverstärkung durch Nanokristalle zu induzieren. Alexander Efros, theoretischer Physiker am Naval Research Laboratory in Washington und Pionier auf dem Gebiet, sieht darin bereits einen "Türöffner für Laser auf Basis von Nanokristall-Quantenpunkten".

Im Gegensatz zu aktuellen Gas- und Dioden-Lasern, die mehr oder weniger auf einzelne Wellenlängen festgelegt sind, könnten Nanokristall-Laser Licht von Violett bis Grün erzeugen. Und da Nanokristalle aus Lösungen hergestellt werden, könnten diese Systeme direkt in optische Kabel oder "Lab on a Chip"-Geräte eingebaut werden – auch Silizium-basierte medizinische und chemische Sensoren wären denkbar. "Man kann Nanokristalle auf Stoffe aufsprühen, sie an kleinsten Punkten genau platzieren. Man arbeitet sehr leicht mit ihnen", meint Todd Krauss, Chemieprofessor an der University of Rochester, der Halbleiter-Nanokristalle erforscht. Die Chipherstellung sei wesentlich komplexer.

Der Laser ist, wie die Mikro-Elektronik, ein Kind der 60er Jahre: 1958 schlugen Arthur Schawlow und Charles Towns in einem theoretischen Aufsatz vor, wie man die "Lichtverstärkung durch stimulierte Emission" nutzen könnte: Seit der Entdeckung der Quantenmechanik ist bekannt, dass man Licht sowohl als elektromagnetische Welle – ein elektrisches und ein magnetisches Feld, die quasi umeinander herum tanzen – als auch als Energie-Quant – das Photon – beschreiben kann. Bestrahlt man Materie mit Licht der richtigen Wellenlänge schlucken die Atome Photonen, und werden mit Hilfe dieser Energie in einen so genannten angeregten Zustand versetzt. Nach einiger Zeit zerfällt dieser angeregte Zustand jedoch wieder – die Materie sendet dabei wieder Photonen aus. Wenn ein Photon auf ein bereits angeregtes Atom trifft, kann es dieses angeregte Atom jedoch auch aus seinem Zustand herausstoßen. Wenn man also dafür sorgen kann, dass viele Atome in einem angeregten Zustand sind – beim Laser nennt man diesen Vorgang pumpen – kann man eine Art Licht-Lawine auslösen. Albert Einstein hatte die so genannte stimulierte Emission in den Neunzehnhundertzwanziger Jahren entdeckt.

Wenn man Materie anregt, befindet sich allerdings im statistischen Mittel immer nur ein kleiner Teil aller Atome im angeregten Zustand. Arthur Schawlow und Charles Towns entdeckten jedoch einen Trick, um das zu ändern: Sie wollten Atome verwenden, die aus dem angeregten in einen besonders langlebigen Zwischenzustand übergehen. Solche Drei- oder Vier-Niveau-Systeme findet man beispielsweise in Rubinen, einem Gemisch aus Helium und Neon, Kohledioxid oder Argon-Ionen.

Bei Quantenpunkten funktioniert dieser Trick jedoch nicht: In der Regel gibt es dort nur ein Elektron, dass durch Licht oder elektrische Ladungen in einen angeregten Zustand versetzt wird und innerhalb kürzester Zeit wieder in den Grundzustand übergeht. Um Licht verstärken zu können, versuchen Forscher daher seit langem, zwei Elektronen in einem Quantenpunkt gleichzeitig anzuregen, um zwei Elektron-Loch-Paare zu bilden. Bei solch kleinen Kristallen interagieren diese Paare allerdings sofort miteinander und löschen sich gegenseitig aus: "Es dauert nur 50 Pikosekunden, bis ein Paar das andere gefunden hat und es dann zerstört wird. Die Lichtverstärkung kann man dann vergessen", erklärt Krauss.

Man könnte diese 50 Pikosekunden nun nutzen, in dem man die Nanokristalle in dieser Zeit mit kurzen, intensiven Lichtpulsen bombardiert, erläutert Klimov. Auf diese Weise werden sie von allerlei Photonen getroffen, bis die Zerstörung erfolgt. Dazu bräuchte man allerdings einen Laser im Femtosekundenbereich. Und dieser Ansatz ist schlicht nicht praktikabel.

Deshalb fanden Klimov und seine Kollegen einen besseren Trick: Sie entwickelten einen Nanokristall mit einer Zwiebelstruktur, der Licht mit nur einem Elektron-Loch-Paar verstärken kann. Er besteht aus einem Kadmium-Sulfid-Kern, der in einer Zink-Selenid-Hülle sitzt. "Es hat sich herausgestellt, dass sich Ladungen so trennen lassen", erklärt Klimov, "die Elektronen wollen im Kern bleiben und die Löcher bei der Hülle". Diese Trennung verändert die Eigenschaften des Nanokristalls. Von den zwei Elektronen mit niedrigem Energiewert benötigt einer nun einen wesentlich größeren Energieschub, um tatsächlich angeregt zu werden. Eins von beiden bleibt also in seinem bisherigen Stadium. Im Ergebnis wird nur noch ein Elektron angeregt und bildet schließlich ein Elektron-Loch-Paar. Setzt sich dieses Paar bei Präsenz eines Photons wieder zusammen, entstehen zwei identische Photonen, die beide das Material verlassen können: Das Licht ist verstärkt worden.

Die Forscher müssen die Nanokristalle dadurch auch mit weniger Energie bombardieren, was wiederum weniger starke Ausgangslaser nötig macht – trotz ordentlichem Verstärkereffekt. Ein einzelnes angeregtes Elektron in einem Nanokristall bleibt außerdem fast zwei Nanosekunden in diesem Zustand. Das bedeutet, dass womöglich schon ein langsamerer Laser ausreicht: "Auf längere Sicht wäre es toll, wenn wir dies allein elektrisch regeln könnten", meint Klimov.

Ein echter Nanokristall-Laser müsste in der Praxis tatsächlich so funktionieren, meint Krauss, ähnlich wie die bekannten Laser in Telekommunikationsgeräten, Laserpointern oder CD-Playern. "Aktuell braucht man einen 300.000 Dollar-Laser, um einen Nanokristall-Laser zu betreiben. Das kann natürlich nicht sein." Könnte man den Nanokristall-Laser aber einfach an die Steckdose anschließen, wäre dies etwas ganz anderes. "Der heilige Gral liegt darin, den Laser elektrisch zu betreiben. Klimovs Arbeit ist ein großer Schritt in dieser Richtung." (bsc)