Prof. Dr. Carsten Ronning an einem Versuchsaufbau eines Photolumineszenzexperimentes.

Wenn Licht und Elektronen gemeinsam leuchten

»Spaser« sind die kleinsten Laser der Welt
Prof. Dr. Carsten Ronning an einem Versuchsaufbau eines Photolumineszenzexperimentes.
Foto: Jens Meyer (Universität Jena)

Halbleiter-Nanodrähte haben sich in den vergangenen 20 Jahren zu flexiblen Bauteilen in der Optoelektronik entwickelt. Sie finden heute beispielsweise Verwendung als Leuchtdioden oder in Solarzellen. Zudem lassen sie sich als winzige Laser einsetzen. Denn zugeführtes Licht wird an Grenzflächen an den Enden des etwa 200 Nanometer dicken Drahtes reflektiert und verstärkt sich so während des Durchlaufs – ein Laser entsteht. Aktuell sind Laser aus Halbleiter-Nanodrähten die kleinsten der Welt. Doch es geht noch kleiner.

Text: Sebastian Hollstein

Physiker um Prof. Dr. Carsten Ronning vom Institut für Festkörperphysik und Prof. Dr. Thomas Pertsch vom Institut für Angewandte Physik erforschen eine Methode, durch die sich möglicherwei­se Laser mit noch geringeren Durchmes­sern produzieren lassen. Die Halblei­ter-Nanodrähte dienen hierbei nur noch als Lichtquelle und Werkzeug. Das Pro­jekt »Nonlinear dynamics in plasmonic hybridized semiconductor nanowires« ist in den Sonderforschungsbereich »Nonlinear Optics down to Atomic Sca­les« (NOA) eingebettet.

Für die Vorgehensweise haben die Wis­senschaftler einen Halbleiter-Nano­draht auf eine Oberfläche aus Metall aufgelegt, eine weniger als zehn Nano­meter dünne dielektrische Zwischen­schicht trennt beide Bereiche vonei­nander. »Regt man Draht und Metall nun mit Licht an, dann entsteht in der Zwischenschicht ein sogenannter Spa­ser«, erklärt Carsten Ronning. »Der Grund für dieses Phänomen liegt in der Schwingung verschiedener Wellen. Während der Halbleiter-Nanodraht eine sogenannte optische Mode, also eine Welle von Lichtteilchen, hervor­ruft, schwingen auch die Elektronen im Metall und bilden eine sogenannte plas­monische Mode.« Beide Wellen reagie­ren miteinander in der Zwischenschicht und erzeugen eine hybride Mode.

Das eingestrahlte Licht kann in diesem Feld verstärkt werden und hat dann Ei­genschaften wie ein Laser – ein plasmo­nischer Laser oder »Spaser«. Mit gerade einmal fünf bis zehn Nanometer Durch­messer ist der Spaser aber deutlich klei­ner als der Lichtstrahl des Halbleiters – und darüber hinaus schneller und in­tensiver.

Eigenschaften des »Spasers« gezielt manipulieren

Diese Eigenschaften des Spasers sol­len im Rahmen des Projektes durch verschiedene Parameter gezielt manipuliert werden – vor allem durch die Beschaffenheit der plasmonischen Na­nostrukturen an der Trägeroberfläche. Verändert man diese Strukturen, so lässt sich das Licht noch stärker innerhalb einzelner Punkte einfangen. Darüber hinaus können die Forscher durch das Substrat die Frequenz und Wellenlänge manipulieren, was Auswirkungen auf die Geschwindigkeit und die Intensität des Lasers haben sollte.   

»Spa­ser« mit unterschiedlich strukturierten plasmonischen Trägeroberflächen

Grafik: Martin Hafermann
Grafik: Martin Hafermann
Grafik: Martin Hafermann
Grafik: Martin Hafermann

Effekte plasmonischer Nanostrukturen vergleichen

Deshalb konzentrieren sich Ronning und sein Team zunächst besonders auf die Strukturierung dieses Unterbaus. »Nachwuchswissenschaftler haben im Rahmen von Bachelorarbeiten zusam­men mit Francesco Vitale, Doktorand in diesem Projekt, verschiedene Schemata entworfen und eine Methode entwi­ckelt, mit der wir entsprechende Struk­turen auf den Träger schreiben können. Weitere Forschungen fokussierten sich darauf, den Halbleiter-Nanodraht in bestimmten Positionen auf das Subst­rat zu legen«, erklärt Ronning. »Da wir hier im Nanobereich arbeiten, sind sol­che  Vorgänge äußerst kompliziert. Um beispielsweise die Drähte gerichtet auf die Oberfläche aufbringen und gezielt hin und her schieben zu können, haben wir extra ein spezielles Werkzeug – ei­nen Nanomanipulator – angeschafft.« Weitere Stellschrauben ergeben sich beispielsweise durch die höhere Inten­sität des Spasers. Durch sie stellen sich nichtlineare Effekte ein, die unter an­derem Farbveränderungen des Lichts ermöglichen.

In weiteren Schritten will das Team zunächst Informationen darüber sam­meln, was im Inneren des Feldes zwi­schen Halbleiter und Metall passiert. Dank der von Thomas Pertsch durchge­führten spektroskopischen Messmetho­den können die Physiker beobachten, wie schnell und wie weit sich die Welle ausbreitet, die zum Spaser wird. Solch wertvolle Informationen helfen, um den Mini-Laser zu funktionalisieren und somit sein Potenzial für Anwendungen auszuloten.

Schnellere Chips, die Daten per Licht übertragen

»Generell ist das Feld dafür sehr groß, schließlich werden auch die mikro­elektronischen Bauteile immer kleiner, etwa Mikrochips in Smartphones«, erklärt Carsten Ronning. »Diese Art Laser bietet einen vielversprechenden Ansatz für die Entwicklung von Chips auf optischer Basis, die noch schnel­ler Daten übertragen könnten, da sich Licht schneller bewegt als Elektronen.« Außerdem könnte der Spaser als Spek­troskopie-Einheit auf einem »Lab on a chip« dienen – also auf winzigen Analy­sewerkzeugen für chemische und biolo­gische Untersuchungen.

Kooperationen mit Kolleginnen und Kollegen aus anderen Fachgebieten im Rahmen des Sonderforschungsberei­ches sollen den Laserspezialisten dabei helfen, das Anwendungspotenzial wei­ter auszuloten, um beispielsweise die Spektroskopie eines einzelnen Proteins zu ermöglichen.  

Plasmonische Nanostrukturen

Bei den nanometerkleinen Zapfen, Pyramiden oder Ringen aus Metall handelt es sich um winzige optische Antennen. Wie mit Radio- oder Fernsehantennen lassen sich auch mit optischen An­tennen elektromagnetische Wellen einfangen, an einem Ort konzentrieren oder abstrahlen. Die Länge der Antenne ist an die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung angepasst. Anders als Radiowellen mit einer Wellenlänge von mehreren Metern weist sichtbares Licht Wellenlängen von nur ca. 380 bis 780 Nanometer auf. Optische Antennen müssen also extrem klein sein. 

Werden plasmonische Nanostrukturen beleuchtet, interagieren die elektromagnetischen Licht­wellen und die beweglichen Leitungselektronen im Metall. Die Elektronen werden in kollektive Schwingungen versetzt, die als Oberflächenplasmonpolaritonen, kurz Plasmonen, bezeichnet werden und beginnen selbst zu strahlen. Damit lassen sich sehr viel kleinere Strukturen aus­leuchten und detektieren als mit dem ursprünglich eingestrahlten Licht und z. B. die Abbesche Auflösungsgrenze umgehen.

 

 

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Carsten Ronning, Univ.-Prof. Dr.
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+49 3641 9-47300
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