Durch verbesserte Herstellungsverfahren überraschen Nanomaterialien immer wieder mit unerwarteten physikalischen Eigenschaften. So übertrafen die lichtemittierenden Eigenschaften von "Quantendots" genannten halbleitenden Nanopartikeln in den letzten Jahren existierende Systeme in einem Maß, das sie zur Grundlage der neuesten Generation von Displays machte.
Eines war bislang aber nicht die Stärke der Quantendots: Licht kohärent zu verstärken, um eine Laserquelle zu verwirklichen. Mit der Lichtverstärkung konkurrierende, nichtstrahlende Effekte sind zu stark, bedingt durch die Wechselwirkung der Ladungsträger in herkömmlichen, zumeist kugelförmigen Quantendots. Eine Limitation, die angesichts der für die Entwicklung neuartiger miniaturisierter Laser äußerst attraktiven Eigenschaften von Quantendots nach einer Lösung verlangte.
Eine solche Lösung hat ein Projektpartner des Grazer Teams an der ETH Zürich mit "Quantenscheibchen" gefunden. Diese sind nur 10 Atomlagen dick und zeigen somit die optischen Eigenschaften von Quantendots. Gleichzeitig sind sie aber in den zwei verbleibenden Raumrichtungen bis zu 20 nm groß, womit sich die Wechselwirkung der Ladungsträger stark reduziert.
Dass sich damit tatsächlich ein Laser verwirklichen lässt, zeigte Martin Belitsch im Rahmen seiner Dissertation in der Forschungsgruppe Nanooptik am Physikinstitut der Universität Graz. Seine mit lithographischen Verfahren gefertigten und optisch angeregten mehrere Mikrometer langen streifenförmigen Wellenleiter aus dichtgepackten Quantenscheibchen erwiesen sich nicht nur als effiziente gepulste Laser. Sie ermöglichten auch die Analyse der optischen Verstärkung, die zu den höchsten je an solchen Systemen beobachteten gehört.
Die Daten zeigten auch eine unerwartete Abhängigkeit der spektralen Breite der Laseremission von ihrer Intensität. Hier lieferte ein zweiter Projektpartner an der TU Wien die theoretische Erklärung in Form einer verstärkungsbedingten Verkürzung der Laserpulse. Dieser Effekt erweitert die Möglichkeiten zur Kontrolle der Eigenschaften der Laseremission von Quantenscheibchen, die eine neue Klasse miniaturisierter Laser ermöglichen.
Martin Belitsch, Dmitry N. Dirin, Maksym V. Kovalenko, Kevin Pichler, Stefan Rotter, Ahmed Ghalgaoui, Harald Ditlbacher, Andreas Hohenau, Joachim R. Krenn
Gain and lasing from CdSe/CdS nanoplatelet stripe waveguides
Micro and Nano Engineering 17, 100167 (2022)