Nanodraad is inderdaad de kleinste laser ter wereld

 Halfgeleidende nanodraden zijn uiterst kleine staafjes. Ze kunnen licht uitzenden onder invloed van elektriciteit of licht. Daarin lijken ze op grotere lasers. Maar of het echt lasers waren, was lange tijd onduidelijk. De doorsnee van de draden die de onderzoekers maakten, is kleiner dan de golflengte van licht, waardoor te verwachten viel dat licht zich op een andere manier gedraagt als in een grotere laser.
De FOM-promovendus Bert van Vugt en postdoctoraal onderzoeker Sven Rühle, beiden werkzaam in de Utrechtse groep van prof.dr. D.A.M. Vanmaekelbergh (Condensed Matter and Interfaces Groep, Debye Instituut, UU), hebben aangetoond dat het licht uit de draadjes coherent is. Het zijn dus echt lasers. Net als in grotere lasers lopen de fotonen nauwkeurig met elkaar in de pas en zijn ze precies van dezelfde kleur. Die coherentie is belangrijk voor toepassingen waarbij lichtpulsjes worden gebruikt voor het overzenden van informatie. Doordat laserlicht zo ordelijk is, kan meer informatie over een grotere afstand worden overgebracht.

Uitwaaierend licht
De nanodraden blijken niet de strakke priemende lichtbundels te hebben die zo kenmerkend zijn voor grotere lasers. De lichtbundel van de nanolaser waaiert direct uit zodra het licht uit de draad komt. Dat komt doordat de draad zo klein is. Het licht moet zich door een opening wringen die kleiner is dan zijn eigen golflengte. Dat zorgt voor breking, waardoor het licht alle kanten opgestuurd wordt.
Die brede lichtkegel van de nanolasers is interessant voor toepassing, bijvoorbeeld als pixelelement in beeldschermen die onder verschillende hoeken bekeken kunnen worden. Voor andere toepassingen is het uitwaaieren een probleem, bijvoorbeeld als de nanolasers moeten worden gekoppeld aan andere optische elementen. Maar de onderzoekers denken dat het verbinden van de nanolasers met andere nanodraden wel goed zal lukken. Zolang het licht van draad naar draad gaat, kan het niet ontsnappen. Zo kunnen nanolasers toch nuttig gebruikt worden in geminiaturiseerde optische circuits.

Snellere schakelingen
De nanolasers bieden perspectief op snellere gegevensverwerking, zoals dat bijvoorbeeld nodig is op knooppunten van netwerken. De elektronica die daar gebruikt wordt, loopt nu aan tegen de grenzen van de snelheid en het energiegebruik. Er komt veel warmte vrij, wat omvangrijke koeling nodig maakt. Gebruik van elektronica op de knooppunten vereist bovendien omslachtige omzettingen. Informatie komt in de vorm van licht binnen via een glasvezel, maar moet eerst in elektrische signalen worden omgezet voordat de elektronica het kan verwerken. Optische elementen bieden perspectief op snellere schakelingen, die minder snel warm worden en die de omweg van elektrische signalen niet nodig hebben. In de toekomst zullen de meest kritische componenten van computerapparatuur daarom waarschijnlijk vervangen worden door optische schakelingen, die naast vertrouwde elektronica moeten functioneren.
Juist bij die samenwerking tussen optische en elektronische schakelingen bieden de nanodraden perspectief, want ze geleiden zowel licht als elektriciteit. Het blijkt mogelijk om ze met elektrische signalen laserlicht te laten geven, maar dat kan ook met lichtsignalen. De draadjes hebben eigenschappen die ze geschikt maken als transistor, de bouwstenen van micro-elektronica. Maar je kunt ze ook gebruiken als een soort LED. De nanodraadjes hebben dus eigenschappen die het integreren van optische en elektronische schakelingen vergemakkelijkt. 

Combinatie van technieken toont laserlicht aan
Bert van Vugt maakte de nanodraden met dampend hete (900 graden Celsius) zinkoxide, koolstof en goud. Als deze stoffen kristalliseren, ontstaat een langgerekt kristalletje. Dat is het draadje.
De onderzoekers maakten gebruik van een combinatie van technieken om aan te tonen dat het licht uit de draadjes daadwerkelijk laserlicht is. Met een spectrometer stelde hij vast dat het licht van de nanolasers van precies één kleur is, afhankelijk van de grootte van het draadje kan die variëren tussen 380 nm en 390 nm, een diepviolette kleur.
Ze bekeken ook het licht met een microscoop (figuur 2). Zodra het draadje echt laserlicht begint af te geven zijn cirkelpatronen waarneembaar (rechts in figuur 2), die doen denken aan stenen die in een vijver worden gegooid. Ze worden veroorzaakt doordat het laserlicht van twee plaatsen afkomt, namelijk van beide uiteinden van de nanodraad. De lichtstralen afkomstig van beide plekken beïnvloeden elkaar. Deze zogeheten interferentie zorgt voor regelmatig patronen omdat de lichtdeeltjes van laserstralen zo nauwkeurig met elkaar in de pas loopt. Gewoon licht is veel onordelijker, daarbij ontstaat alleen een lichtvlek (links in figuur 2).
Uit vergelijking met computersimulaties blijkt dat de patronen (in 2E) inderdaad veroorzaakt zijn door bolvormig, coherent licht uit de beide uiteinden van de nanodraad.

Het artikel is getiteld: 'Phase-Correlated Nondirectional Laser Emission from the end facets of a ZnO nanowire'. Auteurs zijn Lambert K. van Vugt, Sven Rühle en Daniël Vanmaekelbergh. Het verschijnt op 11 november 2006 in Nanoletters vol. 6 issue 11.

Voor meer informatie kunt u contact opnemen met:
Drs. Bert van Vugt, Universiteit Utrecht, telefoon: (030) 253 22 14

Prof.dr. Daniël Vanmaekelbergh, Universiteit Utrecht, telefoon (030) 253 22 18