Csúcson való működés

TU_Logo_PI-Header_neu5

Milyen kicsi, milyen energiahatékony lehet egy lézer? A jövő információtechnológiájához szükséges végső nanolaser keresése világszerte foglalkoztatja a kutatócsoportokat.

Nemzetközi együttműködés keretében Prof. Dr. Stephan Reitzenstein a Berlin Műegyetem Szilárdtestfizikai Intézetéből és projektpartnerei nemcsak sikerrel építettek egy rendkívül kicsi és magas hatékonyságú nanolazert, hanem elsőként is egyértelműen bizonyították annak lézer tulajdonságait a kvantoptikai emisszióstatisztika mérésével.

„Az energiahatékonyság nemcsak az elektromos autók gyártóit foglalkoztatja, hanem a „On-Chip-Photonikának” nevezett területet is, vagyis az olyan mikrochipeket, amelyeken az adatátvitel és -feldolgozás egyre inkább fényalapú” – mondja Prof. Stephan Reitzenstein. „A jövő nanolaserjeinek különlegessége, hogy azok a kvantumoptika átmenetében, azaz az egyes fénykvantumok, az úgynevezett fotonok szintjén működnek.” Ez a gyakorlatban azt jelenti: nemcsak különösen nehéz ilyen nanolaseret gyártani, hanem a lézeremisszió egyértelmű kimutatása is komoly kihívás.

A lézerfény általában egy úgynevezett optikai rezonátorban keletkezik, amikor a benne lévő lézeranyagnak elegendő energiát juttatnak. A probléma az, hogy a juttatott energia, az úgynevezett pumpálási teljesítmény, egy bizonyos határt – a lézerszintet – kell, hogy meghaladja, hogy a lézeranyag ne csak fényt, hanem lézerfényt bocsásson ki.

„Ez azért van, mert kezdetben a juttatott energia nagy részét fotonokká alakítják, anélkül, hogy azok a kívánt lézersugárba kerüljenek. Általános félvezető lézerek esetében, mint amilyenek például minden CD- vagy DVD-lejátszóban megtalálhatók, valójában minden százezredik foton kerül a lézersugárba. A többi foton elveszik. Csak akkor keletkezhet lézerfény, amikor a pumpálási erő ezt a veszteséget kiegyenlíti” – magyarázza Reitzenstein, aki a jelenséget szívesen hasonlítja egy lyukas vödörhöz: „A lyukas vödör a rezonátort szimbolizálja. A vízcső, amellyel a vödröt töltjük, összehasonlítható a pumpforrással, amely a rezonátort fotonokkal tölti fel. A cél az, hogy a vödörben elérjünk egy bizonyos vízszintet, ami a lézerszintet jelképezi. Sok apró lyukon keresztül azonban mindig folyik ki víz – ugyanígy a fotonok is mindig elhagyják a rezonátort anélkül, hogy a lézermódba kerüljenek. Ezért a vízhozamot egy bizonyos határérték (vízmennyiség/idő) fölé kell emelni, hogy a vízszint (a lézerszint) elérje a szükséges értéket. Ha egy energiahatékony nanolazert akarunk építeni alacsony lézerszinttel, akkor a rezonátornak a lehető legkisebbnek és legszorosabbnak kell lennie. A végső, határ nélküli nanolaser esetében gyakorlatilag sikerül „megállítani az összes lyukat”, így minden bejuttatott foton a lézermódba kerül.”

Ez most egy extrém kicsi rezonátorral sikerült. A vizsgált nanolaser szélessége mindössze kb. 200 nm. Összehasonlításképpen: egy emberi haj átmérője kb. 60 000 nm (egy nanométer [1 nm] = 1 milliméter milliomodrésze). „A rezonátor rendkívül precíz szerkezete miatt átlagosan több mint 7 a 10-ből a juttatott fotonok (nemcsak minden százezredike, mint egy normál lézer esetében) hatékonyan felhasználhatóak a lézer működtetéséhez” – magyarázza Reitzenstein. „Ezzel már nagyon közel kerültünk a végső, határ nélküli lézerhez” – teszi hozzá.

A nanolaser jellemzéséhez rendkívül érzékeny detektorokat és összetett elemzési módszereket alkalmaztak: így kvantoptikai kísérlettel mérik a kibocsátott fény fotonstatisztikáját, amely jellemző a lézeremisszióra. Csak e komplex felépítés révén sikerült elsőként egyértelműen bizonyítani, hogy a nanorezonátor által kibocsátott fény valóban lézerfény, és nem csupán egy fénykibocsátó dióda működik.

„Különösen demonstráljuk, hogy a nanolaserre vonatkozó „lézerkritériumok” elveszítik jelentőségüket, és a lézerfény végső soron csak kvantoptikai módszerekkel bizonyítható” – mondja Stefan T. Jagsch, aki Prof. Reitzenstein doktori hallgatójaként vezette a kísérleti munkákat.

A kutatások a Német Kutatási Központ (DFG) és a Svájci Nemzeti Kutatási Alap (SNF) támogatásával, szoros együttműködésben készült, vezető csoportokkal a félvezetőgyártás (Prof. Nicolas Grandjean, École Polytechnique Fédérale de Lausanne), nanolaser-elmélet (Dr. Christopher Gies és Prof. Frank Jahnke, Universität Bremen) és nitrid félvezetők jellemzése (Prof. Axel Hoffmann, TU Berlin) területén. A tanulmány a neves, nyílt hozzáférésű Nature Communications folyóirat aktuális számában jelent meg.