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Nanotechnologie: Lasern nach Belieben

Winzige Häufchen aus nur einigen zehntausend Atomen, zusammengeballt zu einem Halbleiterkristall, haben das Zeug zu etwas Großem: Sie lassen einen Laser in der Wunschfarbe strahlen. Zumindest in der Theorie - in der Praxis kam ihnen bislang ihre Winzigkeit in die Quere. Nun legen Forscher ihnen einen Mantel um und machen die Lichtquellen fast alltagstauglich.
Bunt leuchtende Nanokristalle Laden...
Meist sind sie verborgen in Apparaten und Kisten – doch sind Laser stets präsent in unserem Alltag: im Barcode-Lesegerät im Supermarkt, als Laserskalpell in der Medizin oder im CD- und DVD-Laufwerk zu Hause. Inzwischen ist die scharf gebündelte Strahlung nicht nur im sichtbaren, sondern auch in den angrenzenden Bereichen des elektromagnetischen Spektrums zu haben – allerdings nur in ausgesuchten Wellenlängen.

Und die hängen von den Atomen oder Molekülen ab, die im Laser zum Leuchten gebracht werden. Die Elektronen darin dürfen nur ganz bestimmte Energien besitzen, die für jedes chemische Element charakteristisch sind. Zwischen den verschiedenen Energieniveaus können die Elementarteilchen allerdings hin- und herwechseln. Springen sie auf ein niedrigeres Niveau, emittieren sie die Energiedifferenz in Form eines Lichtquants. Bei gewöhnlichen Lichtquellen passiert das irgendwann und in irgendeine Richtung.

Kontrolliertes Leuchten ...

Beim Laser geht es indes kontrollierter zu: Ein einfallendes Photon geeigneter Wellenlänge regt ein Elektron dazu an, in einen tieferen Energiezustand überzugehen. Das dabei abgegebene Lichtquant stimmt in Frequenz und Ausbreitungsrichtung mit dem des ersten überein. Gemeinsam stiften die beiden nun weitere Elektronen dazu an, ein Photon abzugeben – das Licht wird auf diese Weise verstärkt.

Damit das funktioniert, gibt es allerdings eine Bedingung: Über die Hälfte der Elektronen müssen bereits auf einem höheren Niveau liegen, denn sonst würden die Lichtquanten mit größerer Wahrscheinlichkeit von den Elektronen genutzt, die damit höhere Energieniveaus erklimmen können. Physiker bezeichnen den Zustand als Besetzungsinversion. Um die Elektronen in die angeregten Zustände zu versetzen, wird dem System von außen Energie verabreicht. Dieses so genannte Pumpen kann zum Beispiel durch eine Blitzlampe oder das Licht eines anderen Lasers passieren.

Durch Spiegel wird das Licht im Laser immer wieder durch den Leuchtstoff geleitet, wobei es sich verstärkt, solange eine Besetzungsinversion vorliegt. Einer der beiden Spiegel ist teilweise durchlässig, sodass Licht aus dem Laser tritt. Das Prinzip funktioniert seit 1960 – allerdings sind die Farben des Lasers bislang durch den Aufbau der Atome diktiert. Eine Alternative bieten Halbleiter-Nanokristalle, deren Form und vor allem variabel sind. So können Forscher die optischen Eigenschaften der winzigen Kristalle maßschneidern: Farben von rot bis grün sind möglich. Und sogar im infraroten Bereich strahlen sie, was mit gewöhnlichen Lasermaterialien nicht einfach zu erreichen ist.

Da die Ladungsträger in den Nanokristallen räumlich sehr eingeschränkt sind, besetzen sie wie in einem Atom nur noch diskrete Energieniveaus, obwohl ihnen in Halbleitern eigentlich breitere Energiebereiche zugänglich sind. Werden die Elektronen angeregt, bleibt im Festkörper anders als im einzelnen Atom eine Lücke zurück, die sich wie eine positive Ladung verhält. Das angeregte negativ geladene Elektron und das so genannte Loch ziehen sich gegenseitig an und bilden ein so genanntes Exziton.

... durch räumliche Trennung

Diese Partnerschaft ist sehr kurzlebig, denn schon nach wenigen Augenblicken löschen sich Elektron und das dazugehörige Loch gegenseitig aus und emittieren ein Photon. Auf Grund des winzigen Volumens vernichten sich viele dieser Paare aber auch durch einen anderen Mechanismus, bei dem sie kein Licht abstrahlen. So vertilgen sich die Exzitonen, bevor es überhaupt zu einer Besetzungsinversion kommen kann. Und hier liegt das Problem: um trotzdem eine optischen Verstärkung zu erreichen, ist ein enormer Aufwand nötig.

Wissenschaftler um Victor Klimov vom Los Alamos National Laboratory in New Mexico umgehen die Schwierigkeit, indem sie einen aus zwei Halbleitermaterialien kombinierten Nanokristall entwerfen. Im Kern aus Kadmiumsulfid halten sie die Elektronen gefangen, die Löcher leiten sie in eine Hülle aus Zinkselenid. So fein säuberlich voneinander getrennt, ändern sich die Energieverhältnisse im Kristall derart, dass eine Besetzungsinversion leichter zu erreichen ist. Zudem ist der angeregte Zustand nun für nahezu zwei Nanosekunden stabil – fünfzig Mal länger als in herkömmlichen Nanokristallen.

Bis sie aber an die Lebensdauer von typischen Halbleiterlasern herankommen, müssen sie noch etwa acht Nanosekunden länger im angeregten Zustand ausharren. Dann steht ihnen eine Bandbreite von Einsatzmöglichkeiten von Telekommunikation bis hin zur Medizin offen. Auch wenn es noch nicht so weit ist – Klimov und seine Kollegen bringen dieses Ziel ein gutes Stück näher.
24.05.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 24.05.2007

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