Nanotrådarna, med diametrar så små som 200 nanometer (miljarddels meter) och en blandning av material som också har visat sig vara effektiv i nästa generations solcellsdesigner, visade sig producera mycket ljus, stabilt laserljus. Forskare säger att dessa små lasers utmärkta prestanda är lovande för optoelektronik, som är inriktad på att kombinera elektronik och ljus för att överföra data, bland andra applikationer.

Ljus kan bära mycket mer data, mycket snabbare än standardelektronik-en enda fiber i en fiberoptisk kabel, mäter mindre än ett hårs bredd i diameter, kan föra tiotusentals telefonsamtal på en gång, till exempel. Och miniatyriserande lasrar till nanoskala kan ytterligare revolutionera datorerna genom att föra ljushastighetsdataöverföring till stationära och slutligen handhållna beräkningsenheter.

"Det fantastiska är enkelheten i kemin här, "sa Peidong Yang, en kemist i Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som ledde forskningen, publicerad 9 februari i Förfaranden från National Academy of Sciences . Mer standardtekniker som producerar nanotrådar kan kräva dyr utrustning och exotiska förhållanden, som höga temperaturer, och kan drabbas av andra brister.

Forskargruppen utvecklade en enkel process för kemikaliedoppning för att producera en självmonterad blandning av nanoskala kristaller, plattor och trådar sammansatta av cesium, bly och brom (med den kemiska formeln:CsPbBr3). Samma kemiska blandning, med en molekylarkitektur bestående av kubliknande kristallstrukturer, har också visat sig vara effektivt i en ny våg av nya konstruktioner för högeffektiva solceller.

"Det mesta av det tidigare arbetet med dessa typer av material är inriktat på dessa applikationer för solenergi, "sa Yang, som också har möten med UC Berkeley och Kavli Energy NanoScience Institute vid Berkeley Lab och UC Berkeley. "Det har varit så mycket framsteg med dessa material under de senaste åren - jag har en känsla av att dessa material kommer att öppna en ny forskningsgräns även för optoelektronik, " han sa, och inom det bredare området för fotonik, som fokuserar på att använda ljus för en rad applikationer.

"Hela syftet med att utveckla lasrar i nanostorlek är att sömlöst koppla samman fotoniska (ljusbaserade) enheter med elektroniska enheter, "Sa Yang, "i skalor som är relevanta för dagens datorchips. Idag har dessa fotoniska enheter kan vara skrymmande. "

Yangs forskargrupp var banbrytande för utvecklingen av nanotrådlasrar för nästan 15 år sedan med en annan blandning av material, inklusive zinkoxid (ZnO) och galliumnitrid (GaN). Men dessa och andra, mer konventionella kombinationer av material som används för att göra nanolasers har brister som kan innefatta begränsad avstämning, låg ljusstyrka eller kostsamma tillverkningsprocesser.

I detta senaste arbete, forskargruppen upptäckte hur man producerar nanotrådar genom att doppa en tunn blyhaltig film i en metanollösning som innehåller cesium, brom och klor uppvärmd till cirka 122 grader Fahrenheit. En blandning av kristallina cesiumblybromidstrukturer bildas, inklusive nanotrådar med en diameter från 200 till 2, 300 nanometer (0,2 till 2,3 mikron) och en längd från 2 till 40 mikron.

Utvalda nanotrådar som användes i experimentet placerades på en kvartsbas och upphetsades av en annan laserkälla som fick dem att avge ljus. Forskare fann att nanotrådslasrarna avgav ljus i över 1 miljard cykler efter att ha träffats av en ultrasnabb puls av synliga, violett ljus som varade bara hundradelar av kvadriljoner sekunder av sekunder, vilket Yang sa visade en anmärkningsvärd stabilitet.

Yang sa till hans kunskap att dessa nanotrådar kan vara de första som avger laserljus med en totalt oorganisk (inte innehållande kol) blandning av material. Forskare visade att nanotrådlasrarna kunde ställas in på ett ljusintervall inklusive synliga gröna och blåa våglängder.

Nanotrådarna har en kristallstruktur som liknar den hos ett naturligt förekommande mineral som kallas perovskit. Forskare studerade deras struktur med en teknik som kallas transmissionselektronmikroskopi vid National Center for Electron Microscopy, del av Berkeley Labs Molecular Foundry. Molecular Foundry är ett DOE Office of Science User Facility.

Nanotrådarnas kristallina struktur liknar mycket salt, vilket gör dem mottagliga för skador från fukt i luften, Sa Yang.

"Det är en svaghet - något vi måste studera och förstå hur vi kan förbättra, "sa han. Det kan vara möjligt att belägga nanotrådarna med polymerer eller annat material för att göra dem mer skadebeständiga, han sa. Det finns också möjligheter att testa andra material och lära sig om de förbättrar prestanda, han sa, som att ersätta tenn med bly.

Ted Sargent, en nanoteknisk forskare och professor vid University of Toronto som är bekant med studien, sa, "Resultaten indikerar ett betydande löfte för perovskit -nanomaterial vid lasering." Också, han sa, nanolasers stabilitet, som visade sig fungera i luft i mer än en timme, var "imponerande".

Yang sa, "Det här fältet utvecklas snabbt. Vi hoppade bara in på det här fältet för bara 12 månader sedan, och dessa lasrar är redan fantastiska, ljusa sändare. Det är bara så spännande. "