Forskare i Eindhoven har utvecklat en ny typ av lågenergi, nanoskala laser som lyser i alla riktningar. Nyckeln till dess rundstrålande ljusemission är introduktionen av något som vanligtvis är högst oönskat inom nanoteknik:oregelbundenheter i materialen. Forskarna förutser ett stort antal potentiella tillämpningar, men först hoppas de att deras grundläggande arbete kommer att inspirera andra att ytterligare förbättra det och fördjupa förståelsen. Resultaten publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Bristande kontroll av de variabler som bestämmer ett systems respons ses vanligtvis som en förbannelse inom vetenskap och teknik. Men vad sägs om en liten nypa ofullkomlighet och oordning? Ofullkomligheter och oegentligheter är oundvikliga inom nanovetenskap på grund av vår begränsade nivå av kontroll av nanotillverkningsprocesser. Störning är potentiellt skadlig för nanosystem, men om den är väl innesluten, störning kanske inte är en inkräktare trots allt, leder till nya fysiska koncept och tillämpningar.

Forskare från Eindhovens tekniska universitet (TU/e) och det holländska institutet för grundläggande energiforskning (DIFFER) har undersökt vilken roll brister och störningar spelar i nanolasrar. Genom att införa en liten grad av störning, de har observerat en dramatisk förändring:lasern avger inte längre i en specifik riktning, men åt alla håll.

Utveckling av lasrar i nanoskala (mindre än tjockleken på ett människohår) är ett mycket aktivt forskningsfält. I en vanlig laser, varje foton (ljuspartikel) "klonas" många gånger i ett medium som är beläget inuti en kavitet (t.ex. ett par speglar mellan vilka fotonen rör sig fram och tillbaka och producerar andra fotoner med samma egenskaper). Denna process är känd som ljusförstärkning genom stimulerad strålningsemission (LASER). För att uppnå laseremission injiceras vanligtvis en elektrisk ström genom mediet, eller så är den upplyst med högenergiljus. Den minsta energi som behövs för att en laser ska avge kallas lasringströskeln.

En annan sorts laser är den så kallade polaritonlasern. Detta fungerar på principen inte att klona fotoner utan att göra icke-identiska fotoner identiska på ungefär samma sätt som vattenångamolekyler, rör sig i alla riktningar med olika hastigheter, kondenseras till en enda droppe. Kondensation av fotoner ger upphov till den intensiva och riktade emissionsegenskapen hos en laser. En viktig fördel med polaritonlasrar är att de har en mycket lägre lasringströskel, vilket gör dem till utmärkta kandidater för många applikationer.

Dock, ett stort problem med polaritonlasrar har varit att de måste fungera vid mycket låga temperaturer (som ångkondensation som endast sker när temperaturen sänks) men genom att använda organiska material, det är möjligt att erhålla polaritonlaseremission även vid omgivningstemperatur. Eindhoven-forskarna visade förra året att de kan realisera polaritonlasrar i nanoskala som fungerar vid omgivningstemperatur, använder metalliska nanopartiklar istället för speglar som i vanliga lasrar.

TU/e-DIFFER-forskarna har nu upptäckt en ny sorts polaritonlaser som består av ett regelbundet mönster av silvernanostripor täckta med färgad PMMA-polymer vars färgämne består av organiska emitterande molekyler. Dock, silverränderna har medvetet en viss grad av ofullkomlighet och oordning. Emissionen från denna icke-perfekta nanolaser är rundstrålande och bestäms huvudsakligen av egenskaperna hos de organiska molekylerna. Detta resultat förväntas inte inom ramen för kondens, eftersom rundstrålande emission kräver emissioner från oberoende organiska molekyler istället för den kollektiva emission som är typisk för kondensation. Demonstrationen av rundstrålande emission definierar nya gränser för utvecklingen av lasrar i nanoskala vid omgivande temperaturer.

Forskarna tror att deras laser så småningom kan användas på många områden. Jämfört med en LED, det rundstrålande laserljuset är mycket ljusare och bättre definierat. Det är därför det är en bra kandidat för mikroskopisk belysning, som för närvarande använder lysdioder. LIDAR (Laser Imaging Detection And Ranging) är en annan potentiell applikation. Nuvarande LIDAR använder en eller flera lasrar och en uppsättning snabbrörliga speglar för att täcka stora områden för att avbilda avlägsna objekt. En rundstrålande laser kräver inte de rörliga speglarna, vilket minskar komplexiteten avsevärt. Och även allmän belysning är ett alternativ, säger ledande forskarprofessor Jaime Gomez Rivas. "Men forskningen är fortfarande mycket grundläggande. Vi hoppas att våra resultat kommer att stimulera andra forskare att förbättra dem genom att ytterligare minska lasringströskeln eller öka utbudet av utsända färger."

Forskargruppen som ansvarar för detta arbete undersöker ljus-materia-interaktion förstärkt av resonansstrukturer, såsom metalliska nanopartiklar och strukturerade ytor. Stark lätt-materia-koppling leder till nya fundamentala fenomen som kan utnyttjas för att skräddarsy materialegenskaper. Gruppen ingår i kapacitetsgruppen Photonics and Semiconductor Nanophysics vid institutionen för tillämpad fysik och i "Institute for Integrated Photonics" vid Eindhoven University of Technology (TU/e), och tidigare en del av Dutch Institute for Fundamental Energy Research (DIFFER), där det experimentella arbetet i denna uppsats utfördes.