Trådliknande halvledarstrukturer som kallas nanotrådar, så tunna att de faktiskt är endimensionella, visa potential som lasrar för applikationer inom datorer, kommunikation, och avkänning. Forskare vid Technische Universitaet Muenchen (TUM) har visat laserverkan i halvledarnanotrådar som avger ljus vid tekniskt användbara våglängder och fungerar vid rumstemperatur. De har nu dokumenterat detta genombrott i journalen Naturkommunikation och, i Nanobokstäver , har avslöjat ytterligare resultat som visar förbättrad optisk och elektronisk prestanda.

"Nanowire-lasrar kan representera nästa steg i utvecklingen av mindre, snabbare, mer energieffektiva ljuskällor, " säger prof. Jonathan Finley, direktör för TUM:s Walter Schottky Institute. Potentiella applikationer inkluderar on-chip optiska sammankopplingar eller till och med optiska transistorer för att påskynda datorer, integrerad optoelektronik för fiberoptisk kommunikation, och lasermatriser med styrbara strålar. "Men nanotrådar är också lite speciella, " tillägger Finley, "i att de är mycket känsliga för sin omgivning, har ett stort yt-till-volym-förhållande, och är tillräckligt små, till exempel, att peta in i en biologisk cell." Således kan nanotrådslasrar också visa sig användbara i miljömässig och biologisk avkänning.

Dessa experimentella nanotrådslasrar avger ljus i det nära-infraröda, närmar sig "sweet spot" för fiberoptisk kommunikation. De kan odlas direkt på kisel, presenterar möjligheter för integrerad fotonik och optoelektronik. Och de fungerar i rumstemperatur, en förutsättning för verkliga tillämpningar.

Skräddarsydd i labbet, med blick mot industrin

Liten som de är-tusen gånger tunnare än ett människohår-nanotrådslasrarna som demonstrerades på TUM har ett komplext "core-shell" tvärsnitt med en profil av olika halvledarmaterial skräddarsydda praktiskt taget atom för atom.

Nanotrådarnas skräddarsydda kärna-skal-struktur gör att de kan fungera både som lasrar, genererar sammanhängande ljuspulser, och som vågledare, liknande optiska fibrer. Liksom konventionella kommunikationslasrar, dessa nanotrådar är gjorda av så kallade III-V-halvledare, material med rätt "bandgap" för att avge ljus i det nära-infraröda. En unik fördel, Finley förklarar, är att nanotrådsgeometrin är "mer förlåtande än bulkkristaller eller filmer, så att du kan kombinera material som du normalt inte kan kombinera. "Eftersom nanotrådarna härrör från en bas med endast tiotals till hundratals nanometer i diameter, de kan odlas direkt på kiselchips på ett sätt som lindrar restriktioner på grund av kristallgitterfel – vilket ger material av hög kvalitet med potential för hög prestanda.

Sätt ihop dessa egenskaper, och det blir möjligt att föreställa sig en väg från tillämpad forskning till en mängd olika framtida tillämpningar. Ett antal betydande utmaningar kvarstår, dock. Till exempel, laseremission från TUM nanotrådarna stimulerades av ljus – liksom nanotrådslasrarna som rapporterades nästan samtidigt av ett team vid Australian National University – men praktiska tillämpningar kommer sannolikt att kräva elektriskt injicerade enheter.

Nanowire -lasrar:en teknisk gräns med ljusa framtidsutsikter

De nyligen publicerade resultaten beror till stor del på ett team av forskare som börjar sin karriär, under ledning av Dr. Gregor Koblmueller och andra seniora forskare, vid gränsen till ett nytt fält. Doktorander inklusive Benedikt Mayer, Daniel Rudolf, Stefanie Morkötter och Julian Treu kombinerade sina ansträngningar, arbetar tillsammans med fotonisk design, materiell tillväxt, och karakterisering med elektronmikroskopi med atomupplösning.

Pågående forskning är inriktad på att bättre förstå de fysiska fenomenen som fungerar i sådana enheter samt mot att skapa elektriskt injicerade nanotrådslasrar, optimera deras prestanda, och integrera dem med plattformar för kiselfotonik.

"För närvarande har väldigt få labb i världen förmågan att odla nanotrådsmaterial och -enheter med den precision som krävs, " säger medförfattaren Prof. Gerhard Abstreiter, grundare av Walter Schottky Institute och chef för TUM Institute for Advanced Study. "Och ändå, " han förklarar, "våra processer och design är kompatibla med industriella produktionsmetoder för datorer och kommunikation. Erfarenheten visar att dagens hjälteexperiment kan bli morgondagens kommersiella teknologi, och gör ofta. "