Uundgåelig uorden udnyttes til nano-laser

Forskere verden over arbejder på at udvikle optiske chips, hvor lys kan kontrolleres med nano-strukturer. Det vil f.eks. kunne bruges til fremtidens kredsløb baseret på lys (fotoner) istedet for elektroner – altså fotonik i stedet for elektronik. Men det har vist sig at være umuligt at opnå perfekte fotoniske nano-strukturer: de bliver uundgåeligt en lille smule uperfekte. Nu har forskere på Niels Bohr Institutet i samarbejde med DTU opdaget, at uperfekte nanostrukturer kan give helt nye funktionaliteter. De har påvist, at uperfekte optiske chips kan bruges til at fremstille 'nano-lasere', som er en ultimativt kompakt og energi-effektiv laser-lyskilde. Resultaterne er publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature Nanotechnology.

Forskerne arbejder med ekstremt små fotoniske krystal-membraner – bredden af membranen er 25 mikrometer (1 mikrometer er en tusindedel af en millimeter), og tykkelsen er 340 nanometer (1 nanometer er en tusindedel af en mikrometer). Krystallerne består af halvledermaterialet galliumarsenid (GaAs), hvor der ætses en struktur af huller med en regelmæssig afstand på 380 nanometer. Hullerne har den funktion, at de virker som indbyggede spejle, der reflekterer lyset og på den måde kan anvendes til at kontrollere lysets udbredelse på den optiske chip. Forskerne har derfor sædvanligvis bestræbt sig på at opnå en så perfekt regelmæssig struktur af huller som muligt for at kontrollere lyset i et bestemt optisk kredsløb.

Uundgåelig uorden udnyttes

Men i praksis viser det sig umuligt at undgå små uregelmæssigheder under fabrikationen af de optiske chips, og det kan være et stort problem, da det kan medføre tab af lys og derfor nedsat funktionalitet. Problemet med uperfekte chips har forskere på Niels Bohr Institutet nu vendt til en fordel.

Nano-laseren er baseret på uorden i krystallens mønster af huller. Lyskilden er indbygget i selve krystallen, der er glasklar, og når lyset rammer et hul reflekteres det og kanaliseres ind i den såkaldte bølgeleder, der er krystallens midterbane. Men på grund af de uperfekte huller vil lyset blive kastet frem og tilbage i krystallen og derved forstærkes det og bliver spontant til laserlys.

"Det viser sig, at uperfekte optiske chips er ekstremt velegnede til at fange lys. Når lyset sendes ind i den uperfekte chip, vil det ramme de mange små uregelmæssige huller, som reflekterer lyset i vilkårlige retninger. På grund af de hyppige reflektioner kan lyset spontant blive fanget i nanostrukturen og kan ikke undslippe. Dermed kan lyset blive forstærket, hvilket giver overraskende gode betingelser for at skabe høj-effektive og kompakte lasere”, fortæller Peter Lodahl, professor og leder af forskningsgruppen Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet.

Eksperiment med indbygget lys

Forskerne i Kvantefotonik på Niels Bohr Institutet, ledet af professor Peter Lodahl og lektor Søren Stobbe, har designet den fotoniske krystal og udført de eksperimentelle undersøgelser i forskningsgruppens laboratorier.

Lyskilden er indbygget i selve den fotoniske krystal og består af et lag af kunstige atomer, der udsender lys, (den grundlæggende bestanddel af lys er fotoner). Fotonerne sendes gennem krystallen, der er glasklar og har et mønster af bittesmå huller. Når en foton rammer et hul reflekteres den og kanaliseres ind i den såkaldte bølgeleder, der er en 'foton-bane', som kan bruges til at guide fotonerne igennem krystallen. Men på grund af de uperfekte huller vil lyset blive kastet frem og tilbage i den fotoniske krystals bølgeleder, og derved forstærkes det og bliver til laserlys.

Resultatet er laserlys på nanometer-skala, og det ser forskerne store perspektiver i.

Forskerne har påvist, at uperfekte optiske chips kan bruges til at fremstille 'nano-lasere', som er en ultimativt kompakt og energi-effektiv laser-lyskilde.

Drømmen om et kvantemekanisk internet

"Det, at vi kan styre lyset og producere laserlys på nanometer-skala kan udnyttes til at skabe kredsløb baseret på fotoner istedet for elektroner og dermed bane vejen for fremtidens optiske kvantekommunikationsteknologi. Med indbyggede laserkilder vil vi kunne integrere optiske komponenter og gøre det muligt at opbygge komplekse funktionaliteter. Vores helt store drøm er at bygge et 'kvantemekanisk internet', hvor informationen er kodet i enkelte fotoner", siger Peter Lodahl og Søren Stobbe, der som forskere er ganske tilfredse med resultaterne, der viser, uundgåelig uorden i den optiske chip ikke er nogen begrænsning og endda kan udnyttes under de rette betingelser.