Forscher entwickeln Halbleiter-Nanolaser am Limit der Geschwindigkeit

29. September 2014, 18:10
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Rekord: Schaltvorgang in weniger als einer Pikosekunde

Jena - Eintausend Milliarden Schaltvorgänge pro Sekunde - auf diesen Spitzenwert bringen es die Halbleiter-Nanolaser, die Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena gemeinsam mit britischen Kollegen entwickeln. Wie die Forscher in der aktuellen Ausgabe des Fachblattes "Nature Physics" berichten, handelt es dabei um die schnellsten Laser überhaupt.

Schnelligkeit, erläutert Carsten Ronning von der Uni Jena, bedeute in diesem Fall die Geschwindigkeit des An- und Abschaltens des Lasers, nicht die Dauer der Laserpulse. "Während die schnellsten Laser typischerweise einige Nanosekunden für einen Schaltvorgang brauchen, dauert eine Schaltung unserer Halbleiternanolaser weniger als eine Pikosekunde und ist damit tausend Mal kürzer", so Ronning.

Verstärktes Licht

Für ihre Nanolaser nutzen die Forscher winzige Drähte aus Zinkoxid. Diese haben mit wenigen hundert Nanometern gerade einmal ein Tausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares und sind nur etwa einige Mikrometer lang. Ihre Eigenschaften machen die Nanodrähte zum aktiven Lasermedium und zugleich zu Resonatoren. "Licht wird an den Enden der Drähte wie an einem Spiegel reflektiert und verstärkt sich beim Durchlauf durch den Nanodraht", sagt Robert Röder, Mitautor der Studie.

Dass sich Nanodrähte prinzipiell als Laser eignen, ist für die Forscher nicht neu. Neu an der jetzt veröffentlichten Entwicklung ist jedoch die Möglichkeit, die Geschwindigkeit des Lasers grundlegend modifizieren zu können. Dazu haben die Physiker die Nano-Halbleiter mit einer metallischen Schicht kombiniert, wobei zwischen beiden ein minimaler Zwischenraum von zehn Nanometern Breite bleibt. Darin wird das Lichtfeld eingeschnürt.

Maximalgeschwindigkeit

"Auf diese Weise wird die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie beschleunigt", so Röder. Dies sei nicht nur "Weltrekord" was die Schaltgeschwindigkeit des Lasers betrifft: "Wir haben damit sehr wahrscheinlich auch die Maximalgeschwindigkeit erreicht, mit der ein solcher Halbleiter-Laser überhaupt geschaltet werden kann."

Anwendungsmöglichkeiten für die ultraschnellen und Nanometer-kleinen Laser bieten sich vor allem als optische Transistoren und als Sensoren. Mit derart kleinen Sensoren ließen sich beispielsweise einzelne Moleküle oder Keime in der medizinischen Diagnostik nachweisen, so die Forscher. (red, derStandard.at, 29.9.2014)

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