Új korszakot hozhat a világ legkisebb félvezető lézere

A Berkeley Egyetem kutatói új mérföldkőhöz értek a lézerfizikában, megalkotva a világ legkisebb félvezető lézerét, ami képes egy protein molekula által elfoglaltnál kisebb térben látható fényt előállítani, még pontosabbá téve a lézersugarakat.

A vívmány több újítás fejlődését segíti. Ilyenek a DNS molekulák szondázását, manipulálását és elemzését lehetővé tevő nanolézerek, az optikai alapú telekommunikáció, ami a jelenlegi technika sebességének a sokszorosát ígéri, valamint az optikai számítógép, amiben a fény felváltja az elektromos áramköröket, ugyancsak növelve a sebességet és a számítási teljesítményt.

"Munkánk megdönti a lézerek korlátairól alkotott hagyományos nézeteket, hatalmas lépést téve a biomedikai, kommunikációs és számítástechnikai területek alkalmazásai felé" - mondta Xiang Zhang gépészmérnök professzor, a Berkeley Nanoméretű Tudományos és Mérnöki Központjának igazgatója, aki a Nature augusztus 30-i számában publikálta tanulmányát.



Bár általánosan elfogadott, hogy az elektromágneses hullámok - köztük a lézerfény - nem fókuszálható hullámhosszának felénél kisebb sugárba, a kutatók találtak egy módszert a fény nanoméretű összesűrítésére. A kulcs az úgynevezett felületi plazmonok alkalmazása. A felületi plazmonok az elektronok sűrűségének fluktuációi egy fém felületen, amik képesek elnyelni a fényt, végigfutni a felületen, majd újra kibocsátani ezt az energiát. Sokkal kisebbek, mint a látható fény hullámhossza, vagyis képesek lennének fenntartani egy lézert egészen parányi területen is.

A tudósok az utóbbi időben egy életképes felületi plazmonlézer előállításán versenyeznek, ami képes fenntartani és hasznosítani ezeket a parányi optikai ingereket. Mindazonáltal a fémekben lakozó ellenállás a keletkezésük után szinte azonnal szétszórja ezeket a felületi plazmonokat, ami alaposan megnehezíti a lézerhez szükséges elektromágneses mező létrehozását.

Zhang és kutatócsapata egy új megközelítést használt a fényenergia elvesztésének megakadályozásához, a hajszálnál ezerszer vékonyabb kadmium szulfid nanodrótokat társítottak egy ezüst felülethez, amit egy mindössze 5 nanométeres szigetelő hézag választott el egymástól, utóbbi egy protein molekula méretének felel meg. Ebben a szerkezetben a hézag fényt tárol egy, a hullámhosszánál hússzor kisebb területen. Mivel a fényenergia főként ebben a parányi nem fémes térben tárolódik, a veszteség jelentősen csökkent.



Miután a "hibrid" megoldással sikerült a veszteség kontrollálása, a kutatók megkezdhették a fény felerősítését. "Amikor ilyen kis méreteken dolgozunk, nincs sok helyünk játszadozni" - mondta Rupert Oulton, Zhang kutató segédje, aki tavaly elsőként foglalta elméletbe ezt a megközelítést. "Megoldásunkban a nanodrót egyszerre tölti be a korlátozó mechanizmus és az erősítő szerepét"

A fény foglyul ejtése és megtartása ilyen kis területeken annyira szélsőséges körülményeket teremt, ami nagyban megváltoztatja a fény és az anyag kölcsönhatását. Erről a fény spontán emissziójának növekedése árulkodik, magyarázzák a tanulmány szerzői, akik hatszoros növekedést mértek az 5 nanométeres hézagban foglyul ejtett fény spontán emissziójában.

A Berkeley kutatói által alkalmazott félvezető anyagok és gyártástechnológiák teljesen általánosnak számítanak a modern elektronikai iparban. "Ami különösen izgalmas az általuk itt bemutatott plazmonos lézerekben, hogy szilárd állapotúak és teljesen kompatibilisek a félvezetőgyártással" - mondta Volker Sorger, Zhang egyik hallgatója, a tanulmány társszerzője. A lényeg pedig hogy a félvezetők közötti területen megkonstruált hibrid plazmonokkal sikerül elég hosszan fenntartani a fényt ahhoz, hogy az oszcillációk egy koherens állapotba stabilizálódjanak, ami a lézer egyik fő jellemvonása.

"Munkánk összekapcsolhatja az elektronika és az optika világát, méghozzá molekuláris méreteken" - mondta Zhang, aki reméli, hogy a fényt végül sikerül összezsugorítani egy elektron hullámhosszára, ami egy nanométer körül mozog, így a kettő egyenlő körülmények között dolgozhatna együtt. "Az optika előnyei az elektronikával szemben sokszorosak" - tette hozzá Thomas Zentgraf, aki szintén részt vett a kutatásban. "Az optika alkalmazásával az eszközök sokkal energia-hatékonyabbá válnának, miközben nagyobb sebességet és sávszélességet érhetnének el."