Draadachtige halfgeleiderstructuren genaamd nanodraden, zo dun dat ze in feite eendimensionaal zijn, tonen potentieel als lasers voor toepassingen in de informatica, communicatie, en voelen. Wetenschappers van de Technische Universitaet Muenchen (TUM) hebben laseractie aangetoond in halfgeleider nanodraden die licht uitzenden op technologisch bruikbare golflengten en werken bij kamertemperatuur. Ze hebben deze doorbraak nu gedocumenteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie en, in Nano-letters , hebben verdere resultaten bekendgemaakt die verbeterde optische en elektronische prestaties laten zien.

"Nanodraadlasers zouden de volgende stap kunnen zijn in de ontwikkeling van kleinere, sneller, meer energie-efficiënte lichtbronnen, " zegt prof. Jonathan Finley, directeur van het Walter Schottky Institute van TUM. Mogelijke toepassingen zijn op-chip optische interconnecties of zelfs optische transistors om computers te versnellen, geïntegreerde opto-elektronica voor glasvezelcommunicatie, en laserarrays met stuurbare bundels. "Maar nanodraden zijn ook een beetje speciaal, "Finley voegt eraan toe, omdat ze erg gevoelig zijn voor hun omgeving, hebben een grote oppervlakte-tot-volume verhouding, en zijn klein genoeg, bijvoorbeeld, om in een biologische cel te prikken." Zo zouden nanodraadlasers ook nuttig kunnen zijn bij omgevings- en biologische detectie.

Deze experimentele nanodraadlasers zenden licht uit in het nabij-infrarood, het naderen van de "sweet spot" voor glasvezelcommunicatie. Ze kunnen direct op silicium worden gekweekt, kansen bieden voor geïntegreerde fotonica en opto-elektronica. En ze werken bij kamertemperatuur, een voorwaarde voor toepassingen in de echte wereld.

Op maat gemaakt in het laboratorium, met het oog op de industrie

Hoe klein ze ook zijn - duizend keer dunner dan een mensenhaar - de nanodraadlasers die bij TUM zijn gedemonstreerd, hebben een complexe 'kern-schil'-doorsnede met een profiel van verschillende halfgeleidermaterialen die vrijwel atoom voor atoom zijn gemaakt.

De op maat gemaakte kern-schaalstructuur van de nanodraden stelt ze in staat om zowel als lasers, coherente lichtpulsen genereren, en als golfgeleiders, vergelijkbaar met optische vezels. Net als conventionele communicatielasers, deze nanodraden zijn gemaakt van zogenaamde III-V halfgeleiders, materialen met de juiste "bandgap" om licht in het nabij-infrarood uit te stralen. Een uniek voordeel, Finley legt uit, is dat de nanodraadgeometrie "vergevingsgezinder is dan bulkkristallen of films, waardoor je materialen kunt combineren die je normaal niet kunt combineren." Omdat de nanodraden ontstaan ​​uit een basis met een diameter van slechts tientallen tot honderden nanometers, ze kunnen rechtstreeks op siliciumchips worden gekweekt op een manier die de beperkingen als gevolg van de mismatch van het kristalrooster opheft - waardoor materiaal van hoge kwaliteit wordt verkregen met het potentieel voor hoge prestaties.

Zet deze kenmerken bij elkaar, en het wordt mogelijk om een ​​pad voor te stellen van toegepast onderzoek naar een verscheidenheid aan toekomstige toepassingen. Er zijn nog een aantal belangrijke uitdagingen, echter. Bijvoorbeeld, laseremissie van de TUM-nanodraden werd gestimuleerd door licht - net als de nanodraadlasers die bijna gelijktijdig werden gerapporteerd door een team van de Australian National University - maar voor praktische toepassingen zullen waarschijnlijk elektrisch geïnjecteerde apparaten nodig zijn.

Nanodraadlasers:een technologische grens met mooie vooruitzichten

De nieuw gepubliceerde resultaten zijn grotendeels te danken aan een team van wetenschappers die aan het begin van hun carrière staan, onder leiding van Dr. Gregor Koblmueller en andere senior onderzoekers, aan de grens van een nieuw veld. Promovendi waaronder Benedikt Mayer, Daniël Rudolf, Stefanie Morkötter en Julian Treu bundelden hun krachten, samen werken aan fotonisch ontwerp, materiële groei, en karakterisering met behulp van elektronenmicroscopie met atomaire resolutie.

Lopend onderzoek is gericht op een beter begrip van de fysieke verschijnselen die in dergelijke apparaten aan het werk zijn, evenals op het creëren van elektrisch geïnjecteerde nanodraadlasers, het optimaliseren van hun prestaties, en ze te integreren met platforms voor siliciumfotonica.

"Momenteel hebben maar heel weinig laboratoria ter wereld de mogelijkheid om nanodraadmaterialen en apparaten met de vereiste precisie te kweken, " zegt co-auteur prof. Gerhard Abstreiter, oprichter van het Walter Schottky Institute en directeur van het TUM Institute for Advanced Study. "En toch, " hij legt uit, "onze processen en ontwerpen zijn compatibel met industriële productiemethoden voor computers en communicatie. De ervaring leert dat het heldenexperiment van vandaag de commerciële technologie van morgen kan worden, en vaak ook."