Forschung & Entwicklung

Nanolaser aus Gold und Zinkoxid

Ein neuartiges Nanoteilchen aus Metall und Halbleitermaterial kann eingestrahltes Laserlicht in andere Wellenlängen wandeln. Diese Nanolaser könnten als ultraschnelle optische Schalter oder Transistoren dienen.

Winzige, aus Metallen und Halbleitern zusammengesetzte Partikel könnten in Bauteilen zukünftiger optischer Computer als Lichtquelle dienen, weil sie einfallendes Laserlicht extrem konzentrieren und verstärken. Wie dieser Prozess funktioniert, hat ein länderübergreifendes Forscherteam der Carl von Ossietzky Universität Oldenburg, der Technischen Universität Ilmenau und der Universität Lund, Schweden, nun erstmals aufgeklärt.

Die Physiker stellten für ihre Studie Nanomaterialien her, die die optischen Eigenschaften von Metallen und Halbleitern kombinieren. Den Ausgangspunkt der Untersuchung bildeten schwammartige Teilchen aus Gold mit einem Durchmesser von einigen hundert Nanometern und Poren mit einer Größe von rund 10 nm. Die Materialwissenschaftler Dr. Dong Wang und Professor Peter Schaaf von der Technischen Universität Ilmenau stellten diese Metallschwämme her und entwickelten ein Verfahren, um sie mit einer dünnen Schicht aus dem Halbleiter Zinkoxid zu überziehen. Das Material dringt dabei auch in die winzigen Poren ein.

Die so hergestellten Teilchen sind in der Lage, die Farbe von einfallendem Licht zu verändern. Bestrahlt man sie etwa mit dem Licht eines roten Lasers, geben sie kurzwelligeres, blaues Laserlicht ab. Die abgestrahlte Farbe hängt dabei von den Eigenschaften des Materials ab. „Solche sogenannten nicht linearen optischen Nanomaterialien herzustellen, ist eine der großen Herausforderungen der derzeitigen Optikforschung“, berichtet der Oldenburger Physiker Dr. Jin-Hui Zhong. In zukünftigen optischen Computern, die mit Licht statt mit Elektronen rechnen, könnten derartige Nanopartikel als winzige Lichtquellen dienen. „Man könnte solche Partikel auch als Nanolaser bezeichnen“, ergänzt Professor Christoph Lienau von der Universität Oldenburg. Mögliche Einsatzorte wären beispielsweise ultraschnelle optische Schalter oder Transistoren.

Um aufzuklären, wie die Nanomaterialien Licht einer Farbe in eine andere umwandeln, nutzten Teammitglieder um Professor Anne L’Huillier und Professor Anders Mikkelsen von der Universität Lund ein besonderes mikroskopisches Verfahren, die ultraschnelle Fotoemissions-Elektronenmikroskopie. Mithilfe von extrem kurzen Lichtblitzen konnten sie nachweisen, dass Licht tatsächlich effizient in den Nanoporen konzentriert wird – eine wichtige Voraussetzung für zukünftige Anwendungen.

Professor Erich Runge, Physiker von der Technischen Universität Ilmenau, simulierte die Eigenschaften des Materials zusätzlich mit theoretischen Modellen. Wie das Team berichtet, bieten aus Metallen und Halbleitern zusammengesetzte Nanopartikel wahrscheinlich neue Möglichkeiten, um die Eigenschaften des abgestrahlten Lichts nach Wunsch zu justieren. Die Studie liefert damit grundlegende neue Einblicke dazu, wie hybride Metall-Halbleiter-Nanostrukturen Licht verstärken. Darüber hinaus könnten die Beobachtungen dazu beitragen, Materialien mit noch besseren optischen Eigenschaften zu entwickeln.

von mn

Originalveröffentlichung:

[J.-H. Zhong et al., Nonlinear plasmon-exciton coupling enhances sum-frequency generation from a hybrid metal/semiconductor nanostructure, Nat. Commun. 11 (2020), DOI: 10.1038/s41467-020-15232-w]

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