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Neues aus der Welt der Wissenschaft |
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Der kleinste Laser der Welt |
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| | | US-Physiker haben einen Nanolaser hergestellt, dessen Reaktionskammer nicht größer ist als ein Proteinmolekül. Die neue Technologie könnte die Elektronik revolutionieren, schreiben die Forscher. |
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Schrumpfe den Laser |
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Der Laser ist in so vielen Geräten des täglichen Gebrauchs zu finden, dass es fast einfacher wäre zu fragen: Welche Technologie benötigt ihn nicht? Im CD- und DVD-Player tanzen bekanntlich Photonen im Gleichschritt, das Gleiche tun sie in Schweißgeräten, Druckern und Supermarktkassen.
Seit dem Bau der ersten Geräte in den späten 50ern wurde viel Forschung betrieben, um die Laser stärker, schneller und kleiner zu machen. Das gelang auch, nur an der Front der Miniaturisierung stießen Physiker und Techniker schnell auf ein scheinbar unüberwindbares Hindernis, das so genannte Beugungslimit.
Dabei handelt es sich um die Angewohnheit des Lichts, quasi um die Ecke zu laufen, sofern es auf ein Hindernis trifft. In Lichtmikroskopen begrenzt diese Eigenschaft die Auflösung - Objekte, die kleiner sind als die Wellenlänge des verwendeten Lichts, erscheinen (zumindest mit konventioneller Optik) im Okular notorisch unscharf.
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Das Beugungslimit umgehen |
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Das Gleiche sollte auch für den fokussierten Laserstrahl gelten, meinten Physiker bis vor kurzem. Dieser könne nur in optischen Geräten entstehen, die größer als die Wellenlänge des Lichts sind, lautete das Dogma der Laserphysik, bis ein paar findige Forscher einen Ausweg fanden. Sie koppelten Licht an oszillierende Elektronen auf der Oberfläche eines Metalls.
Oberflächen-Plasmone nennt man jene schwingenden Elektronen, mit deren Hilfe in der Tat Laserlicht jenseits des Beugungslimits entstand. Die physikalische Gesetzesübertretung währte allerdings nur kurz. Denn die ultrakleinen Plasmon-Laser hatten bis vor kurzem das Problem, dass sie recht schnell Energie verloren. Für den Dauerbetrieb schienen sie daher ungeeignet.
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Nanolaser ohne Energieverlust
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Nun präsentiert ein Team um Xiang Zhang von der University of California in Berkeley die Lösung des Problems: "Unsere Arbeit erschüttert die Limits der Laserphysik und wird für die Biomedizin, die Kommunikations- und Computer-Technologie einen wesentlichen Fortschritt bringen", sagt Zhang.
Wie er mit seinen Mitarbeitern im Fachblatt "Nature" (online) berichtet, lässt sich der drohende Energieverlust offenbar mit Nanodrähten aus Cadmium-Sulfid auf einer Silberschicht verhindern (Bild oben). Die Drähte, Tausend Mal dünner als ein menschliches Haar, sind von der Silberfläche durch einen lediglich fünf Nanometern messenden Spalt getrennt. Der Spalt hat in etwa die Größe eines Proteinmoleküls und dient als Reaktionskammer, in der das Laserlicht nach Inbetriebnahme einer externen "Lichtpumpe" spontan entsteht.
"Wenn man in so kleinen Dimensionen arbeitet, hat man wenig Platz um herumzuexperimentieren", sagt Rupert Oulton, ein Co-Autor der Studie. "In unserem Versuchsaufbau hat der Nanodraht zwei Aufgaben: Er arbeitet als Verstärker und als Begrenzungsmechanismus."
Im Prinzip ginge es sogar noch kleiner. Die Wellenlänge der schwingenden Elektronen liegt bei einem Namometer. Langfristig wollen Forscher die Laserschrumpfung bis zu diesem Wert vorantreiben. Aber zunächst geht es um die Frage, was man überhaupt mit dem Nanolaser machen kann.
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Optik und Elektronik endlich vereint |
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"Was diesen Laser aufregend macht, ist die Tatsache, dass er solide arbeitet und ohne Probleme mit Halbleitern kombiniert werden kann", sagt Volker Sorger, ein Doktoratsstudent von Zhang. "Diese Arbeit baut eine Brücke zwischen der Welt der Elektronik und der Welt der Optik."
Welche Rolle die optoelektronische Brücke dereinst in unserem Alltag haben wird, ist noch nicht abzusehen. Die US-Forscher sehen ihre Erfindung naturgemäß recht optimistisch. Nanolaser könnten für die Manipulation von DNA-Molekülen wichtig sein und die Telekommunikation enorm beschleunigen.
Es wäre auch möglich, dass die Laser im Kleinformat den optischen Computer wiederbeleben, in den man vor zehn, fünfzehn Jahren noch große Hoffnungen gesetzt hat. Nach einem Forschungsboom in den 90ern wurde es in den letzten Jahren sehr still um jene Lichtrechner, die, so hieß es, die elektronischen Computer weit übertreffen könnten. Womit dem ersten Hauptsatz des technischen Fortschritts Genüge getan wäre. Der da lautet: Es geht immer noch stärker, schneller und kleiner.
[science.ORF.at, 31.8.09]
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01.01.2010 |
