Onderzoekers in Eindhoven hebben een nieuw type energiezuinige, laser op nanoschaal die in alle richtingen schijnt. De sleutel tot zijn omnidirectionele lichtemissie is de introductie van iets dat meestal zeer ongewenst is in nanotechnologie:onregelmatigheden in de materialen. De onderzoekers voorzien een breed scala aan mogelijke toepassingen, maar eerst hopen ze dat hun fundamentele werk anderen zal inspireren om het verder te verbeteren en het begrip te verdiepen. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Gebrek aan controle over de variabelen die de respons van een systeem bepalen, wordt meestal gezien als een vloek in wetenschap en technologie. Maar hoe zit het met een klein snufje imperfectie en wanorde? Onvolkomenheden en onregelmatigheden zijn onvermijdelijk in de nanowetenschap vanwege onze beperkte mate van controle over nanofabricageprocessen. Stoornis is potentieel schadelijk voor nanosystemen, maar als het goed zit, stoornis is misschien toch geen indringer, leidend tot nieuwe fysieke concepten en toepassingen.

Wetenschappers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en het Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) hebben onderzoek gedaan naar de rol van imperfecties en wanorde in nanolasers. Door een lichte mate van wanorde te introduceren, ze hebben een dramatische verandering waargenomen:de laser straalt niet langer in één bepaalde richting uit, maar in alle richtingen.

De ontwikkeling van lasers op nanoschaal (kleiner dan de dikte van een mensenhaar) is een zeer actief onderzoeksgebied. Bij een normale laser elk foton (lichtdeeltje) wordt vele malen 'gekloond' in een medium dat zich in een holte bevindt (bijvoorbeeld een paar spiegels waartussen het foton heen en weer beweegt en andere fotonen met dezelfde eigenschappen produceert). Dit proces staat bekend als lichtversterking door gestimuleerde emissie van straling (LASER). Om laseremissie te bereiken wordt meestal een elektrische stroom door het medium geïnjecteerd, of het wordt verlicht met hoogenergetisch licht. De minimale energie die een laser nodig heeft om uit te zenden, wordt de laserdrempel genoemd.

Een ander soort laser is de zogenaamde polaritonlaser. Dit werkt niet volgens het principe van het klonen van fotonen, maar het maken van niet-identieke fotonen identiek op vrijwel dezelfde manier als waterdampmoleculen, bewegen in alle richtingen met verschillende snelheden, worden gecondenseerd tot een enkele druppel. Condensatie van fotonen geeft aanleiding tot de intense en directionele emissiekarakteristiek van een laser. Een belangrijk voordeel van polaritonlasers is dat ze een veel lagere laserdrempel hebben, wat hen uitstekende kandidaten maakt voor veel sollicitaties.

Echter, een groot probleem van polaritonlasers is dat ze bij zeer lage temperaturen moeten werken (zoals dampcondensatie die alleen plaatsvindt wanneer de temperatuur wordt verlaagd), maar door gebruik te maken van organische materialen, het is mogelijk om polariton laser emissie te verkrijgen zelfs bij omgevingstemperatuur. De Eindhovense onderzoekers toonden vorig jaar aan dat ze polaritonlasers op nanoschaal kunnen realiseren die functioneren bij omgevingstemperatuur, met behulp van metalen nanodeeltjes in plaats van spiegels zoals bij normale lasers.

De TU/e-DIFFER-onderzoekers hebben nu een nieuw soort polaritonlaser ontdekt die bestaat uit een regelmatig patroon van zilveren nanostrepen bedekt met gekleurd PMMA-polymeer waarvan de kleurstof uit organische emitterende moleculen bestaat. Echter, de zilveren strepen hebben opzettelijk een zekere mate van onvolmaaktheid en wanorde. De emissie van deze niet-perfecte nanolaser is omnidirectioneel en wordt voornamelijk bepaald door de eigenschappen van de organische moleculen. Dit resultaat wordt niet verwacht in het kader van condensatie, omdat omnidirectionele emissie emissies van onafhankelijke organische moleculen vereist in plaats van de collectieve emissie die typisch is voor condensatie. De demonstratie van omnidirectionele emissie definieert nieuwe grenzen voor de ontwikkeling van lasers op nanoschaal bij omgevingstemperaturen.

De onderzoekers denken dat hun laser uiteindelijk op veel gebieden kan worden toegepast. Vergeleken met een led, het omnidirectionele laserlicht is veel helderder en beter gedefinieerd. Daarom is het een goede kandidaat voor microscopiebelichting, die momenteel LED's gebruikt. LIDAR (Laser Imaging Detection And Ranging) is een andere mogelijke toepassing. De huidige LIDAR gebruikt een of meer lasers en een reeks snel bewegende spiegels om grote gebieden te bestrijken om verre objecten in beeld te brengen. Een omnidirectionele laser heeft geen bewegende spiegels nodig, waardoor de complexiteit aanzienlijk wordt verminderd. En ook algemene verlichting is een optie, zegt hoofdonderzoeker professor Jaime Gomez Rivas. "Maar het onderzoek is nog steeds erg fundamenteel. We hopen dat onze resultaten andere onderzoekers zullen stimuleren om ze te verbeteren door de laserdrempel verder te verlagen of het bereik van uitgestraalde kleuren te vergroten."

De onderzoeksgroep die verantwoordelijk is voor dit werk onderzoekt licht-materie interactie versterkt door resonante structuren, zoals metalen nanodeeltjes en gestructureerde oppervlakken. Een sterke koppeling van licht en materie leidt tot nieuwe fundamentele fenomenen die kunnen worden benut om materiaaleigenschappen aan te passen. De groep maakt deel uit van de capaciteitsgroep Photonics and Semiconductor Nanophysics van de faculteit Technische Natuurkunde en van het "Institute for Integrated Photonics" van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e), en voorheen onderdeel van het Nederlands Instituut voor Fundamenteel Energieonderzoek (DIFFER), waar het experimentele werk in dit artikel werd uitgevoerd.