Nanolaser Der Beweis! Extrem dünne Kristalle sind Quellen für Laserlicht

Die Laseremission bei Raumtemperatur ist nachgewiesen! Demnach können Halbleiter aus drei Atomschichten neuartige Laser schaffen, berichten Forschende aus Oldenburg.

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Kristalle, die nur aus drei Lagen von Atomen bestehen, können bei Raumtemperatur Licht abstrahlen, das dem eines Lasers gleicht, erklären die daran beteiligten Forscher von der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg. Diese, wie es weiter heißt, neuartigen Materialien haben damit das Potenzial, als Lichtquellen in miniaturisierten Schaltkreisen oder auch in zukünftigen Quantenanwendungen genutzt zu werden. Das Team um die Physiker Dr. Hangyon Shan, Prof. Dr. Christian Schneider und Dr. Carlos Anton-Solanas berichteten darüber in der Zeitschrift Nature Communications. Und so geht das:

Die Basis für Mikro- und Nanolaser ist gefunden

Bisher, so die Experten, ließen sich vergleichbare Effekte nur im Vakuum und bei Temperaturen kurz über dem absoluten Temperaturnullpunkt erzeugen. „Der Übergang von diesen sehr niedrigen, sogenannten kryogenen, Temperaturen zu Raumtemperatur bedeutet, dass diese quasi zweidimensionalen Materialien viel interessanter für Anwendungen werden, weil der Effekt mit weniger Aufwand erreicht wird – ein echter Meilenstein“, betont Schneider, der an der Universität Oldenburg die Arbeitsgruppe Quantenmaterialien leitet.

Für die Untersuchungen griff man zur Verbindung Wolframdiselenid. Dabei handelt es sich um ein Material, das zu einer Klasse von Halbleitern gehört, die aus einem Übergangsmetall und den Elementen Schwefel, Selen oder Tellur bestehen. Einlagige Kristalle dieser Halbleiterverbindung interagierten sehr stark mit Licht, was sie zu attraktiven Materialsystemen für den Bau von Mikro- und Nanolasern mache, die auch bei Raumtemperatur funktionierten. Die starke Wechselwirkung zwischen Licht und zweidimensionalen Materialien hat überdies besondere Eigenschaften, die sie interessant für Schaltkreise macht, in denen Licht elektrische Ströme kontrollieren könnte.

Ausgebüxtes Licht hat neue Eigenschaften

Die Laseremission beruht auf physikalischen Objekten, die gleichzeitig aus Materie und Licht bestehen – sogenannte Exziton-Polaritonen, sagen die Forschenden. Sie charakterisieren sich durch die Kopplung zwischen Lichtteilchen und angeregten Elektronen. Sie entstehen, wenn Elektronen in Festkörpern in einen Zustand höherer Energie versetzt werden – zum Beispiel durch Laserlicht. Nach nur Sekundenbruchteilen geben sie wieder ein Lichtteilchen ab. Wenn dieses nun zwischen zwei Spiegeln gefangen wird, kann es ein neues Elektron anregen. So ergibt sich ein Zyklus, der sich fortsetzt, bis ein Lichtteilchen aus der Falle entkommt. Das ist dann ein Exziton-Polariton, das interessante Eigenschaften von Elektronen und Lichtteilchen (Photonen) kombiniert.

Sind genug Teilchen „draußen“, entsteht Laserlicht

Besonders interessant dabei sei, dass, wenn die Anzahl der entkommenen Exziton-Polaritonen groß genug werde, sie sich nicht länger als einzelne Teilchen verhielten, sondern zu einem makroskopischen Quantenzustand verschmelzen. Das zeige sich anhand der plötzlich ansteigenden Lichtemission aus einer Probe, die man messen kann. Die erzeugte Strahlung hat, wie das Licht eines Lasers, nur eine einzige Wellenlänge, ist sozusagen einfarbig. Sie breitet sich zudem in eine bestimmte Richtung aus und ist in der Lage, so genannte Interferenzen auszubilden, eine Eigenschaft, die in der Physik Kohärenz genannt wird.

So sind die Oldenburger vorgegangen

Um diesen Effekt für Wolframdiselenid nachzuweisen, stellte das Team zunächst weniger als einen Milliardstel Meter (Nanometer) dicke Proben des Halbleiters her und platzierte diese zwischen geeigneten Spiegeln. Anschließend stimulierten die Physiker die Kristalle mit Laserlicht und untersuchten die entstehenden Emissionen mit verschiedenen Verfahren. Dabei fanden sie starke Hinweise darauf, dass die Strahlung von Objekten stammen muss, die sowohl Eigenschaften von Licht als auch von Materie aufweisen. Sie glaubten deshalb, dass sich in dem Halbleiter tatsächlich Exziton-Polaritonen gebildet hatten. Zudem fanden die Forschenden Anzeichen dafür, dass diese Teilchen zu einem gemeinsamen makroskopischen Quantenzustand verschmolzen waren.

Auch andere Forschende leisteten ihren Beitrag

Im Mai dieses Jahres hatte ein anderes Team ebenfalls Hinweise für kohärente Laseremissionen von Exziton-Polaritonen in einlagigen Kristallen bei Raumtemperatur entdeckt. „Das bestärkt uns darin, dass die Resultate korrekt sind“, wirft Kollege Anton-Solanas ein.

Die aktuelle Arbeit ist das Resultat einer Kooperation der Oldenburger Forscher mit Kollegen von der Universität Jena, der Universität Würzburg, der Arizona State University (USA), der Westlake University (China) und des Nationalinstituts für Materialwissenscaften in Tsukuba (Japan).

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