Onderzoekers maken laser op nanoschaal bij kamertemperatuur
Door nauwgezette controle over licht en materie op de nanoschaal hebben internationale onderzoekers een laser ontworpen die werkt op de nanoschaal. Het ontwerp is klein en robuust genoeg om uiteindelijk op een computerchip te passen. Dat is een veelbelovende stap richting razendsnel transporteren en bewerken van data in de vorm van licht in plaats van met langzame elektrische stroom.
De nanolaser is het werk van onderzoekers van het Nederlandse instituut voor funderend energieonderzoek DIFFER, de Technische Universiteit Eindhoven en de Universiteit van Madrid. Zij beschrijven hun resultaat in vakblad Optica van de Optical Society of America, en presenteren erover tijdens de nationale natuurkundeconferentie Physics@Veldhoven op 18 januari 2017.
Hoe lasers werken
Lasers produceren intens, coherent licht en hebben allerlei toepassingen, zoals in industriële processen, monitoren van voedselkwaliteit, in sensoren voor de detectie van gassen en biomoleculen, in datacommunicatie via glasvezel en in nauwkeurige tijdwaarneming.
Een conventionele laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) gebruikt een optisch medium dat licht versterkt door fotonen (lichtdeeltjes) in het medium te vermenigvuldigen. Spiegels om het optisch medium heen vormen een optische trillingsholte die de fotonen steeds recyclen. Als er genoeg energie in het medium wordt gepompt (lasing threshold - energiedrempel), begint de opstelling intens en coherent laserlicht uit te zenden.
Het onderzoek: elektrische lading temmen met nanoantennes
Om laserlicht te produceren op nanoschaal gebruiken natuurkundige Mohammad Ramezani en zijn collega's een dunne laag organisch materiaal als optisch medium. Hierin wekken ze pakketjes elektrische lading op (excitonen) die na verloop van tijd vervallen en in willekeurige richting een lichtdeeltje (foton) uitzenden.
Cruciaal aan de nanolaser is dat er geen conventionele spiegels worden gebruikt. In plaats daarvan ligt de organische laag met zijn excitonen op een geordend rooster van metalen deeltjes op de schaal van nanometers (miljardste meter). Die werken als minuscule antennes en zenden net als radioantennes licht uit in een goed bepaalde voorkeursrichting.
Exciton condensatie bij kamertemperatuur
De resultaten van Ramezani en zijn collega's zijn interessant omdat ze erin slagen op een onconventionele manier laserlicht te produceren. In plaats van het versterken van licht in de organische laag, zorgen ze er met hun nano-antennes voor dat de ladingsdragende excitonen allemaal in dezelfde toestand komen en één samenhangend collectief vormen voor ze vervallen en coherent laserlicht uitzenden. Zo'n Bose Einstein-condensaat vormt normaliter pas bij extreem lage temperaturen, maar de excitonen in Ramezani's experiment condenseren al bij kamertemperatuur en bij een zeer lage energiedrempel.
Het onderzoek opent de weg naar toepassingen zoals een laser die op een computerchip past, zodat gegevens bewerkt kunnen worden in de vorm van licht in plaats van als veel tragere elektrische stroom.