Wenn Licht und Elektronen gemeinsam leuchten

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.