Die kleinsten Laser der Welt sind rund zehnmal dünner als ein Spinnenfaden. Sie bestehen aus einem perfekten kristallinen Halbleiter-Nanodraht, der nach Anregung Licht mit einer definierten Wellenlänge emittiert. Was bisher für Licht im UV- und sichtbaren Spektrum möglich war, konnten NIM-Wissenschaftler jetzt auch für den Infrarot- Bereich realisieren.

Die Professoren Jonathan Finley und Gerhard Abstreiter sind mit ihrem Team spezialisiert auf das Wachstum und die Charakterisierung der komplexen Nanodrähte, die wie eine Art Kern und Hülle aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien bestehen. Die Physiker vom Walter- Schottky-Institut (TU München) präsentierten jetzt in der Zeitschrift Nature Communications erstmals ein Material, das aufgrund einer passenden Bandlücke Licht im nahen Infrarot (IR) emittiert. Das Ganze funktioniert bei Raumtemperatur, was die Forschung und vor allem eine mögliche spätere Anwendung enorm erleichtert.

Von Daten zu Licht und zurück

Nanodrahtlaser sind interessant für Anwendungen in der Optoelektronik, also der Umwandlung elektronischer Daten in Licht und umgekehrt. Durch ihre geringe Größe und den eindimensionalen Charakter haben sie das Potential, schneller, effizienter und temperaturstabiler zu sein als andere Systeme.

Wenn die Wissenschaftler für die Laser nun auch Infrarotstrahlung einsetzen können, hat das einen großen Vorteil: Mit diesen Wellenlängen gehen deutlich weniger Informationen verloren als im sichtbaren Bereich. Konkret könnten die Nanodrahtlaser eingesetzt werden für optische Verschaltungen auf Mikrochips, als optische Transistoren zur Beschleunigung von Rechnern, in Glasfasernetzen und für Laser-Arrays mit lenkbarem Strahl.
Zudem sind die Laser so klein, dass sie beispielsweise in biologische Zellen eindringen können und dadurch in der Umwelt- und Biosensorik mögliche Anwendungen finden.

Einwandfreies Wachstum

Für die Produktion ist von Vorteil, dass Nanodrähte weitestgehend fehlerfrei direkt auf Siliziumchips anwachsen. Außerdem, erklärt Finley, ist ihre Geometrie wesentlich weniger anfällig für Kristallgitterfehler als in sonst üblichen Dünnschichtprozessen. So können die Wissenschaftler Materialen verbinden, die sich normalerweise nicht kombinieren lassen.

Der nächste Schritt der Wissenschaftler ist es, die physikalischen Phänomene rund um Nanodrähte besser zu verstehen. Langfristig steht auf ihrer Wunschliste, aus dem optischen einen elektrisch gepumpten Nanodrahtlaser zu entwickeln, seine Leistung zu optimieren und in die Siliziumphotonik zu integrieren.

»Zurzeit gibt es nur sehr wenige Laboratorien, die Nanodrähte mit der erforderlichen Präzision erzeugen können«, sagt Koautor Prof. Gerhard Abstreiter, Direktor des TUM-Institute for Advanced Study. »Doch unsere Verfahren und Designs sind mit den industriellen Produktionsmethoden für Computer- und Kommunikationstechnologie kompatibel. Die Erfahrung hat gelehrt, dass die bahnbrechenden Experimente von heute in kommerziell verwertbaren Techniken von morgen münden können und dies oft auch tun«.

Über NIM

Die Nanosystems Initiative Munich (NIM) ist eines der Forschungs-Cluster, die am 13. Oktober 2006 im Wettbewerb der Exzellenz-Initiative der Bundesregierung zur Förderung ausgewählt wurden. NIM führt Arbeitsgruppen aus dem Münchner Raum in der Physik, Biophysik, Physikalischen Chemie, Biochemie, Biologie, Elektrotechnik und der Medizin zusammen und fügt deren kumulatives Fachwissen über künstliche und biologische nanoskalige Systeme zu einem kohärenten und fokussierten Cluster zusammen.