Ny type lavenergi nanolaser, der skinner i alle retninger

Forskere i Eindhoven har udviklet en ny type lavenergi, nanoskala laser, der skinner i alle retninger. Nøglen til dens rundstrålende lysemission er introduktionen af ​​noget, der normalt er meget uønsket inden for nanoteknologi:uregelmæssigheder i materialerne. Forskerne forudser en lang række potentielle anvendelser, men først håber de, at deres grundlæggende arbejde vil inspirere andre til yderligere at forbedre det og uddybe forståelsen. Resultaterne offentliggøres i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Manglende kontrol over variablerne, der bestemmer et systems respons, ses normalt som en forbandelse inden for videnskab og teknologi. Men hvad med en lille knivspids af ufuldkommenhed og uorden? Ufuldkommenheder og uregelmæssigheder er uundgåelige inden for nanovidenskab på grund af vores begrænsede niveau for kontrol af nanofabrikationsprocesser. Disorder er potentielt skadelig for nanosystemer, men hvis den er godt indeholdt, lidelse er måske ikke en ubuden gæst, fører til nye fysiske begreber og applikationer.

Forskere fra Eindhoven University of Technology (TU/e) og Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER) har undersøgt rollen som ufuldkommenheder og uorden i nanolasere. Ved at indføre en lille grad af uorden, de har observeret en dramatisk ændring:laseren udsender ikke længere i en bestemt retning, men i alle retninger.

Udvikling af nanoskala lasere (mindre end tykkelsen af ​​et menneskehår) er et meget aktivt forskningsfelt. I en normal laser, hver foton (lyspartikel) 'klones' mange gange i et medium, der er placeret inde i et hulrum (f.eks. et par spejle, mellem hvilke fotonen bevæger sig frem og tilbage og producerer andre fotoner med samme egenskaber). Denne proces er kendt som Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER). For at opnå laseremission injiceres normalt en elektrisk strøm gennem mediet, eller det er oplyst med lys med høj energi. Den mindste energi, der er nødvendig for en laser til at udsende, kaldes lasertærsklen.

En anden slags laser er den såkaldte polaritonlaser. Dette fungerer ud fra princippet om ikke at klone fotoner, men gøre ikke-identiske fotoner identiske på omtrent samme måde som vanddampmolekyler, bevæger sig i alle retninger med forskellige hastigheder, kondenseres til en enkelt dråbe. Kondensering af fotoner giver anledning til en intens og retningsbestemt emission, der er karakteristisk for en laser. En vigtig fordel ved polariton -lasere er, at de har en meget lavere lasertærskel, hvilket gør dem til fremragende kandidater til mange ansøgninger.

Imidlertid, et stort problem med polariton -lasere har været, at de skal fungere ved meget lave temperaturer (som dampkondensation, der kun finder sted, når temperaturen sænkes), men ved at bruge organiske materialer, det er muligt at opnå polariton laseremission selv ved omgivelsestemperatur. Eindhoven -forskerne demonstrerede sidste år, at de kan realisere nanoskala polaritonlasere, der fungerer ved omgivelsestemperatur, ved hjælp af metalliske nanopartikler i stedet for spejle som i normale lasere.

TU/e-DIFFER-forskerne har nu opdaget en ny slags polaritonlaser, der består af et regelmæssigt mønster af sølv-nanostriber dækket med farvet PMMA-polymer, hvis farvestof består af organiske emitterende molekyler. Imidlertid, sølvstriberne har bevidst en vis grad af ufuldkommenhed og uorden. Emissionen fra denne ikke-perfekte nanolaser er omnidirektionel og bestemmes hovedsageligt af egenskaberne af de organiske molekyler. Dette resultat forventes ikke inden for rammerne af kondens, da omnidirektionel emission kræver emissioner fra uafhængige organiske molekyler i stedet for den kollektive emission, der er typisk for kondens. Demonstrationen af ​​omnidirektionel emission definerer nye grænser for udviklingen af ​​nanoskala lasere ved omgivelsestemperaturer.

Forskerne tror, ​​at deres laser i sidste ende kan blive anvendt på mange områder. Sammenlignet med en LED, det rundstrålende laserlys er meget lysere og bedre defineret. Derfor er det en god kandidat til mikroskopibelysning, som i øjeblikket bruger lysdioder. LIDAR (Laser Imaging Detection And Ranging) er en anden potentiel applikation. Nuværende LIDAR bruger en eller flere lasere og et sæt spejl, der bevæger sig hurtigt, for at dække store områder til billeder, der fjerner objekter. En omnidirektionel laser kræver ikke bevægelige spejle, derved reducerer kompleksiteten betydeligt. Og også generel belysning er en mulighed, siger professor i forskning, Jaime Gomez Rivas. "Men forskningen er stadig meget grundlæggende. Vi håber, at vores resultater vil stimulere andre forskere til at forbedre dem ved yderligere at reducere lasertærsklen eller øge rækkevidden af ​​udsendte farver."

Forskningsgruppen, der er ansvarlig for dette arbejde, undersøger lys-stof-interaktion forstærket af resonante strukturer, såsom metalliske nanopartikler og strukturerede overflader. Kraftig lysstofkobling fører til nye fundamentale fænomener, der kan udnyttes til at skræddersy materialegenskaber. Gruppen er en del af kapacitetsgruppen Photonics and Semiconductor Nanophysics på Institut for Anvendt Fysik og "Institute for Integrated Photonics" ved Eindhoven University of Technology (TU/e), og tidligere en del af Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER), hvor det eksperimentelle arbejde i dette papir blev udført.