Spin-Nanolaser kommt in Schwung

  • 25. September 2014

Durch ein Zusammenspiel von Halbleiter und magnetischem Halbmetall entsteht Polarisation.

Während in herkömmlichen Lasern der Elektronspin keine Rolle spielt, nutzen Spin-Laser diesen Freiheitsgrad ganz gezielt. Davon verspricht man sich eine höhere Laserintensität, eine niedrigere Pumpschwelle sowie extrem hohe Modulationsfrequenzen. Mussten solche Laser bisher mit spinpolarisierten Elektronen oder zirkular polarisiertem Licht gepumpt werden, so haben jetzt Forscher in Taiwan einen Spin-Nanolaser entwickelt, den sie durch unpolarisierte Anregung zu polarisiertem Leuchten bringen können.

Abb.: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der GaN-Nanostäbchen, in deren Zwischenräumen sich die Magnetit-Nanopartikel befinden. (Bild: Ju-Ying Chen et al., NPG)

Abb.: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der GaN-Nanostäbchen, in deren Zwischenräumen sich die Magnetit-Nanopartikel befinden. (Bild: Ju-Ying Chen et al., NPG)

Der neuartige Spin-Laser, den Yang-Fang Chen und seine Mitarbeiter von der National Taiwan University in Taipei vorstellen, beruht auf dem elektro-optischen Zusammenwirken von Galliumnitrid-Nanostäbchen und Magnetit-Nanopartikeln. Die Nanostäbchen übernehmen die Rolle der Laserresonatoren. Sie haben einen sechseckigen Querschnitt und sind in einem hexagonalen Gitter angeordnet, dessen Zwischenräume mit Nanopartikeln aus Magnetit (Fe3O4) gefüllt sind.

Die Magnetitpartikel setzten die Forscher einem Magnetfeld von bis zu 0,4 Tesla aus, das sie magnetisch polarisierte. Die Polarisation wurde allerdings nicht dazu genutzt, die Partikel zu Spinventilen zu machen, mit denen sich spinpolarisierte Elektronen in die GaN-Stäbchen injizieren lassen. Vielmehr kam eine andere Eigenschaft der polarisierten Magnetitpartikel zum Tragen: Während sie Elektronen mit einer bestimmten Spinrichtung metallisch leiteten, waren die Partikel für Elektronen der entgegengesetzten Spinrichtung ein Isolator.

Aufgrund dieser Eigenschaft konnten sie den angrenzenden Nanostäbchen, die optisch mit unpolarisiertem Licht gepumpt wurden, bevorzugt Elektronen einer bestimmten Spinrichtung („Spin runter“) und leichte, schnell bewegliche Löcher entziehen. Es blieben mehrheitlich Elektronen mit der entgegengesetzten Spinrichtung („Spin hoch“) sowie schwere, unbeweglich Löcher in den Nanostäbchen zurück und reicherten sich dort an. Wenn diese spinpolarisierten Elektronen mit den schweren Löchern rekombinierten, entstand zirkular polarisiertes UV-Licht von 371 nm Wellenlänge.

Allerdings war das abgestrahlte Licht nicht perfekt zirkular polarisiert, da Elektronen beider Spinrichtungen in den Nanostäbchen verblieben – wenn auch in unterschiedlicher Zahl – und dort mit Löchern rekombinierten. Wie stark sich die beiden Spinrichtungen dabei unterschieden, untersuchten die Forscher, indem die GaN-Nanostäbchen mit rechts- bzw. linkszirkular polarisiertem Licht von zunehmender Intensität bestrahlten und die Stärke der dabei auftretenden Photolumineszenz maßen.

Abb.: Die Anpassung der Energiebänder des Halbleiters (GaN) und des Halbmetalls (Fe3O4). Links: Elektronen mit „Spin runter“ und leichte Löcher (LH) können vom Halbleiter in das Leitungsband des Halbmetalls abwandern. Rechts: Elektronen mit „Spin rauf“ und schwere Löcher (HH) bleiben im Halbleiter, da sie von den Isolatorbändern des Halbmetalls nicht aufgenommen werden. Wenn sie rekombinieren, entsteht zirkular polarisiertes Licht. (Bild: J.-Y. Chen et al., NPG)

Abb.: Die Anpassung der Energiebänder des Halbleiters (GaN) und des Halbmetalls (Fe3O4). Links: Elektronen mit „Spin runter“ und leichte Löcher (LH) können vom Halbleiter in das Leitungsband des Halbmetalls abwandern. Rechts: Elektronen mit „Spin rauf“ und schwere Löcher (HH) bleiben im Halbleiter, da sie von den Isolatorbändern des Halbmetalls nicht aufgenommen werden. Wenn sie rekombinieren, entsteht zirkular polarisiertes Licht. (Bild: J.-Y. Chen et al., NPG)

Zunächst nahm die Intensität der Photolumineszenz für beide Polarisationen des anregenden Lichts linear mit der Anregungsintensität zu. Doch bei einer bestimmten Schwellenintensität des linkszirkular polarisierten Lichts, das Elektronen mit „Spin hoch“ anregte, zeigte die Lumineszenzkurve einen Knick: Es setzte Lasertätigkeit ein. Dabei wurden Flüstergaleriemoden angeregt, in denen das Licht längs des sechseckigen Randes der GaN-Stäbchen umlief und durch Totalreflexion im Innern der Stäbchen verblieb. Bei weiterer Erhöhung der Anregungsintensität nahm die Lumineszenz linear zu.

Wurden die GaN-Stäbchen mit rechtszirkular polarisiertem Licht bestrahlt, das Elektronen mit „Spin runter“ anregte, so zeigte die Lumineszenz ebenfalls einen Knick, wenn auch bei einer höheren Schwellenintensität. Mit zunehmender Stärke der Anregung wuchs die Lumineszenz jedoch schwächer als linear an. Demnach ist bei Anregung mit unpolarisiertem Licht das Lumineszenzlicht umso stärker polarisiert, je größer die Intensität des anregenden Lichts ist.

Indem die Forscher die Stäbchen mit unpolarisiertem Licht bestrahlten und zugleich das äußere Magnetfeld zwischen –0,4 T und +0,4 T variierten, konnten sie den Grad der zirkularen Polarisation der Photolumineszenz von +17 % zu -17 % verändern. Dabei zeigte der Polarisationsgrad dieselbe Hysterese wie die Magnetisierung der Magnetitpartikel, die der beobachteten zirkularen Polarisation zugrunde lag.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung konnten die Forscher die Energiebänder der halbleitenden Stäbchen und der halbmetallischen Partikel besser aufeinander abstimmen. Auf diese Weise ließ sich ein Polarisationsgrad von 28,2 % erreichen. Für praktische Anwendungen des Spin-Lasers muss sich der Polarisationsgrad allerdings noch erhöhen. Das kann beispielsweise durch gezielte Störungen des Lasermaterials geschehen, die dazu führen, dass nur für eine der beiden Polarisationen die Laserschwelle überschritten wird. Außerdem kann man den Spin-Laser kompakter gestalten, indem man das benötigte Magnetfeld durch ferromagnetische Schichten erzeugt.

Rainer Scharf

PH

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