Små partiklar som består av metaller och halvledare kan fungera som ljuskällor i komponenter i framtida optiska datorer, eftersom de kan exakt lokalisera och extremt förstärka infallande laserljus. Ett team från Tyskland och Sverige under ledning av Prof. Dr. Christoph Lienau och Dr. Jin-Hui Zhong från University of Oldenburg har nu för första gången förklarat hur denna process fungerar. Studien publiceras i det aktuella numret av tidskriften Naturkommunikation .

För sina studier, laget producerade hybridnanomaterial som kombinerar de optiska egenskaperna hos metaller och halvledare. Utgångspunkten för studien var svampliknande guldpartiklar med en diameter på flera hundra miljarddels meter (nanometer) och porer med en storlek på runt tio nanometer. Materialforskarna Dr. Dong Wang och Prof. Dr. Peter Schaaf från det tekniska universitetet i Ilmenau tillverkade dessa nanosvampar och använde vidare avancerade nanotillverkningstekniker för att belägga svamparna och infiltrera deras små porer med ett tunt lager av halvledarzinkoxiden.

Partiklarna kan ändra färgen på en optisk ljusstråle. Till exempel, om de bestrålas med ljuset från en röd laser, de kan avge blått laserljus, som har en kortare våglängd. Den avgivna färgen beror på materialets egenskaper. "Att skapa sådana så kallade olinjära optiska material med dimensioner i nanoskala är en av de stora utmaningarna i nuvarande optikforskning, Lienau rapporterar.

I framtidens optiska datorer, som kan använda ljus istället för elektroner för beräkningar, sådana nanopartiklar kan fungera som små ljuskällor. "Man kan kalla sådana partiklar för nanolaser, " tillägger Zhong, som tillsammans med doktor Jan Vogelsang från Lunds universitet är huvudförfattare till studien. Möjliga tillämpningar inkluderar ultrasnabba optiska omkopplare eller transistorer.

För att klargöra hur nanomaterial omvandlar ljus av en färg till en annan, teammedlemmar under ledning av prof. dr. Anne L'Huillier och prof. dr. Anders Mikkelsen från Lunds universitet i Sverige använde en speciell mikroskopisk metod, ultrasnabb fotoemissionselektronmikroskopi. Kombinera extremt korta ljusblixtar med ett elektronmikroskop, de kunde direkt visa att ljus effektivt koncentreras till nanoporerna – en viktig förutsättning för dess framtida tillämpning.

Prof. Dr. Erich Runge, en fysiker från det tekniska universitetet i Ilmenau, simulerade materialets egenskaper med teoretiska modeller. Som laget rapporterar, nanopartiklar sammansatta av metaller och halvledare ger sannolikt nya möjligheter att justera egenskaperna hos det emitterade ljuset. "Vår studie ger grundläggande nya insikter om hur hybridmetall-halvledarnanostrukturer förstärker ljus, säger Zhong. Dessutom observationerna skulle kunna bidra till att utveckla material med ännu bättre optiska egenskaper.

Forskargruppen "Ultrafast Nano-Optics" vid universitetet i Oldenburg som leds av prof. Dr. Christoph Lienau är specialiserad på att studera processer i nanovärlden med särskilt hög rumslig och tidsmässig upplösning. Fysikerna har redan uppnått flera betydande genombrott på detta område. Bara nyligen, de utvecklade en metallisk superlins gjord av guld med tidigare ouppnådd optisk upplösning.