Uundgåelig lidelse, der bruges til at bygge nanolaser

Forskere verden rundt arbejder på at udvikle optiske chips, hvor lyset kan styres med nanostrukturer. Disse kunne bruges til fremtidige kredsløb baseret på lys (fotoner) i stedet for elektron - altså fotonik i stedet for elektronik. Men det har vist sig at være umuligt at opnå perfekte fotoniske nanostrukturer:de er uundgåeligt en lille smule uperfekte. Nu har forskere ved Niels Bohr Institutet i samarbejde med DTU opdaget, at uperfekte nanostrukturer kan tilbyde helt nye funktionaliteter. De har vist, at uperfekte optiske chips kan bruges til at fremstille 'nanolasere', som er en ultimativ kompakt og energieffektiv lyskilde. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Natur nanoteknologi .

Forskerne arbejder med ekstremt små fotoniske krystalmembraner - membranens bredde er 25 mikrometer, og tykkelsen er 340 nanometer (1 nanometer er en tusindedel af en mikrometer). Krystallerne er lavet af det halvledende materiale galliumarsenid (GaAs). Et mønster af huller er ætset ind i materialet med en regelmæssig afstand på 380 nanometer. Hullerne har den funktion at fungere som indbyggede spejle, der reflekterer lyset og kan dermed bruges til at styre spredningen af ​​lyset i den optiske chip. Forskerne har derfor forsøgt at opnå en så perfekt en regelmæssig struktur af huller som muligt til at styre lyset i visse optiske kredsløb.

Uundgåelig lidelse udnyttet

Men i praksis er det umuligt at undgå små uregelmæssigheder under fremstillingen af ​​de optiske chips, og det kan være et stort problem, da det kan resultere i tab af lys og dermed nedsat funktionalitet. Forskere ved Niels Bohr Institutet har nu vendt problemet med ufuldkommenheder til en fordel.

"Det viser sig, at de uperfekte optiske chips er særdeles velegnede til at fange lys. Når lyset sendes ind i den uperfekte chip, det vil ramme de mange små uregelmæssige huller, som reflekterer lyset i tilfældige retninger. På grund af de hyppige refleksioner, lyset fanges spontant i nanostrukturen og kan ikke undslippe. Dette gør det muligt at forstærke lyset, resulterer i overraskende gode betingelser for at skabe højeffektive og kompakte lasere, " forklarer Peter Lodahl, professor og leder af den kvantefotoniske forskningsgruppe på Niels Bohr Institutet på Københavns Universitet.

Eksperimenter med indbygget lys

Forskerne i kvantefotonik ved Niels Bohr Institutet, ledet af professor Peter Lodahl og lektor Søren Stobbe, designet den fotoniske krystal og udførte de eksperimentelle undersøgelser i forskergruppens laboratorier.

Lyskilden er integreret i selve den fotoniske krystal og består af et lag af kunstige atomer, der udsender lys (lysets grundlæggende komponent er fotoner). Fotonerne sendes gennem krystallen, som er klar som glas og har et mønster af bittesmå huller. Når en foton rammer et hul, reflekteres den og kanaliseres ind i den såkaldte bølgeleder, som er et 'fotonspor', der kan bruges til at lede fotonerne gennem den fotoniske krystal. Imidlertid, på grund af de uperfekte huller vil lyset blive kastet frem og tilbage i den fotoniske krystals bølgeleder, intensiverer det og gør det til laserlys.

Resultatet er laserlys på nanometerskala og det ser forskerne et stort potentiale i.

Drømmen om et kvanteinternet

"Det faktum, at vi kan styre lyset og producere laserlys på en nanometerskala, kan bruges til at skabe kredsløb baseret på fotoner i stedet for elektroner, dermed baner vejen for optisk kvantekommunikationsteknologi i fremtiden. Med indbyggede laserkilder, vi vil være i stand til at integrere optiske komponenter, og det giver mulighed for opbygning af komplekse funktionaliteter. Vores ultimative drøm er at bygge et 'kvante-internet', hvor informationerne er kodet i individuelle fotoner, " forklarer Peter Lodahl og Søren Stobbe, der er begejstrede for resultaterne, som viser, at den uundgåelige lidelse i optisk chip ikke er en begrænsning og endda kan udnyttes under de rigtige forhold.