Preisträger

Laserdioden mit Polaritonen

Die stimulierte Streuung von Polaritonen ermöglicht eine neuartige kohärente Lichtquelle.

  • Sven Höfling
  • 09 / 2014 Seite: 51

Seit Kurzem ist es möglich, das fundamentale Phänomen der Bose-Einstein-Kondensation elektrisch zu erzeugen, also auf Knopfdruck. Gelungen ist dies in Halbleiterdioden, deren zentralen Bestandteile ein Quantenfilm und eine Mikrokavität sind. Die kondensierten bosonischen Teilchen bestehen aus Elektron-Loch-Paaren im Quantenfilm, die stark mit dem Licht der Mikrokavität wechselwirken. Spontan aus dem Kondensat entweichende Photonen tragen die Eigen­schaften des Kondensats mit sich und können als alternative laserartige Lichtquelle dienen.

Die moderne Halbleitertechnologie ermöglicht es, Nanostrukturen mit atomarer Präzision herzustellen und somit das quantenmechanische Verhalten von Elektronen und Löchern in Festkörpern gezielt maßzuschneidern. Durch das epitaktische Wachstum von Halbleiter-Heterostrukturen lassen sich Quantenfilme mit Nanometerdicke herstellen (Abb. 1a), die Potentialtröge für sowohl Elektronen als auch Löcher bilden. In dem Quantenfilm eingeschlossene Elektronen und Löcher besitzen entgegengesetzte Ladungen und werden durch die Coulomb-Wechsel­wirkung zu Elektron-Loch-Paaren gebunden, den Exzitonen. Während die konstituierenden Elektronen und Löcher jeweils halbzahligen Spin besitzen, ist der Spin der resultierenden Quantenfilm-Exzitonen ganzzahlig, sodass diese das Phänomen der Bose-Einstein-Kondensation aufzeigen können [1, 2].

Die gezielte Anordnung von Halbleitermaterialien mit verschiedenen Brechungsindizes in Heterostrukturen erlaubt es zudem, die Ausbreitung und den Einschluss von Licht zu kontrollieren. Dies ist beispielsweise durch alternierende Schichten von GaAs und AlAs möglich (Abb. 1b). Die Schichtabfolge ist so gewählt, dass eine GaAs-Mikrokavität von zwei Bragg-Spiegeln umgeben ist, die Licht in der Mikrokavität einschließen. Die Bragg-Spiegel bestehen aus periodischen AlAs- und GaAs-Schichten, deren optische Dicke jeweils ein Viertel der Lichtwellenlänge beträgt. Dadurch interferieren die an den einzelnen Grenz­flächen reflektierten Lichtstrahlen so, dass sich Licht in der zentralen Schicht einschließen lässt. Integriert man nun Quantenfilme an Stellen der Mikrokavität, an denen die optische Mode ein lokales Intensitäts­maximum aufweist, können Quantenfilm-Exzitonen und Photonen der Mikrokavität stark wechselwirken. (...)

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