Nieuw type nanolaser schijnt in alle richtingen

Onderzoekers van de TU/e en DIFFER hebben een zeer energiezuinig type nanolaser ontwikkeld dat in alle richtingen licht geeft. Dat de laser rondom licht geeft, komt door iets dat normaal gesproken zeer onwenselijk is in nanotechnologie: foutjes in het materiaal. De onderzoekers voorzien veel mogelijke toepassingen, maar hopen vooral dat hun resultaten andere wetenschappers aanzet om verder onderzoek te doen.

door
foto Alexei Halpin

De structuren die worden gemaakt in de nanowetenschap zijn zo klein, dat het vrijwel onmogelijk is om ze perfect te maken. Een dergelijk gebrek aan grip op de exacte vorm en samenstelling is normaal gesproken een vloek voor wetenschap en technologie. Een Eindhovens onderzoekscollectief wist er echter voordeel uit te halen. Het team liet bewust een beetje wanordelijkheid toe in het materiaal dat ze gebruikten om nanolasers (een nanolaser is dunner dan een haar) mee te maken. Dat kleine beetje wanorde zorgde voor een grote verandering: de laser scheen niet meer slechts in één richting, maar in alle richtingen.

Een normale laser kloont elk foton (oftewel lichtdeeltje) vele malen in een stukje materiaal met spiegels aan de uiteinden. De fotonen bewegen daartussen op en neer en creëren op hun weg andere fotonen met dezelfde eigenschappen. Een van de spiegels laat een beetje licht door en daar komt de ons bekende laserstraal uit. Om dit tot stand te brengen, wordt er stroom op het materiaal gezet, of hoogenergetisch licht op geschenen. Het minimum aan energie dat nodig is om laserlicht te creëren, wordt de laserdrempel genoemd.

Gericht licht

Een polaritonlaser werkt anders. Die kloont geen fotonen, maar groepeert verschillende fotonen die daardoor gelijksoortig worden. Dit proces lijkt een beetje op de condensatie van water, waarbij waterdampmoleculen die eerst nog kriskras bewogen, samen druppels vormen. Door de ‘condensatie’ van fotonen ontstaat intens en gericht licht, laserlicht. Een belangrijk voordeel van dit type laser is dat de laserdrempel veel lager is. Er is dus veel minder energie voor nodig. Een belangrijke horde die onlangs genomen werd, is dat polaritonlasers voorheen alleen werkten bij extreem lage temperaturen. Door gebruik van organische materialen werken ze inmiddels zelfs op kamertemperatuur.

De onderzoekers van de TU/e en DIFFER hebben nu een nieuw type polaritonlaser ontdekt. Dit type bestaat uit een regelmatig patroon van zilveren nanostreepjes op een stukje gekleurd, doorzichtig plastic (PMMA). Met dit principe wisten de onderzoekers vorig jaar al een nanolaser te maken, maar nu zorgden ze ervoor dat de zilveren streepjes niet helemaal perfect waren. Dat leverde laserlicht in alle richtingen op. De eigenschappen van dit licht worden vooral bepaald door de kleurstofmoleculen in het plastic. Dit was onverwacht bij fotoncondensatie, omdat licht in alle richtingen eigenlijk emissies nodig heeft van individuele moleculen, wat haaks staat op de collectieve (coherente) emissie die typisch is voor condensatie.

Microscopen

Hoofdonderzoeker hoogleraar Jaime Gómez Rivas denkt dat de nieuwe laser in allerlei gebieden toepassing kan vinden. In vergelijking met leds is het licht veel helderder en nauwer afgebakend. Daarom zou hij goed geschikt zijn voor licht op microscopen, waar nu leds nog de standaard zijn. LIDAR (Laser Imaging Detection And Ranging) is een andere mogelijke toepassing. De huidige LIDAR-systemen hebben een of meer lasers en een set snel bewegende spiegels om een groot oppervlak te bereiken met het licht. Een laser die alle kanten uit schijnt, heeft die spiegels niet nodig, waardoor de systemen flink eenvoudiger zouden kunnen. En zelfs gewone verlichting is een mogelijke toepassing, vertelt Gómez Rivas. “Maar onze resultaten zijn erg fundamenteel. We hopen vooral dat dit andere onderzoekers aanzet om nog betere resultaten te bereiken, bijvoorbeeld door de laserdrempel nog verder te verlagen en de hoeveelheid kleuren te vergroten.”

Het onderzoek is gepubliceerd in Physical Review Letters, een van de hoogst aangeschreven wetenschappelijke natuurkunde-journals. De onderzoeksgroep die deze studie deed, is onderdeel van de TU/e-faculteit Technische Natuurkunde en het Institute for Photonic Integration. De groep maakte voorheen deel uit van onderzoeksinstituut DIFFER, waar het experimentele deel van dit onderzoek is uitgevoerd.

Deel dit artikel via je socials