Forschung

Auf Kante gelasert

13.02.2020 - Neuartiger Quantenkaskadenlaser nutzt topologisch geschützte Randzustände zur Erzeugung von Terahertzstrahlen.

Quantenkaskaden­laser beflügeln schon seit einiger Zeit die Phantasien von Wissen­schaftlern und Technikern. Gerade im sonst nur schwer zugäng­lichen Intervall vom mittleren Infrarot bis in den Terahertz-Bereich hat sich dieser Lasertyp in den letzten Jahren als interessante Option präsentiert. Quanten­kaskadenlaser profitieren hierbei davon, dass sie Inter­subband-Übergänge von Elektronen innerhalb des Leitungs­bands nutzen und dadurch Frequenz­bereiche erschließen können, die anderen Lasertypen verschlossen sind. Wie der Name andeutet, geben die Elektronen dabei ihre Energie in einer Kaskade von kleinen Quanten­schritten ab, wobei jedes mal ein Photon frei wird. Außerdem lassen sich Quanten­kaskadenlaser als Halbleiter­laser in sehr kompakter Bauform herstellen.

Dennoch hat dieser vielver­sprechende Lasertyp auch mit einigen Schwierig­keiten zu kämpfen. So sind sie äußerst anfällig gegenüber kleinen Abweichungen von der Idealform, wie sie sich bei jedem Produktions­verfahren ergeben können. Dadurch unterscheiden sich auch Geräte derselben Herstellungs­reihe häufig ein ganzes Stück weit in der Frequenz. Schon lange suchen Forscher deshalb nach neuen Arten von Quanten­kaskadenlasern, die gegenüber solchen Schwankungen unempfindlich ist. Ein Wissen­schaftlerteam um Qi Jie Wang von der Nanyang Techno­logical University in Singapur hat nun eine Möglichkeit gefunden, diesem Lasertyp zu besonderer Stabil­ität zu verhelfen. Dafür nutzten die Forscher topo­logische Randzustände, die in bestimmten photo­nischen Kristallen möglich sind. Zwar gibt es bereits andere Laser, die ebenfalls auf topo­logischen Zustände basieren. Aber dies ist der erste topologisch geschützte Laser, der in den Terahertz­bereich vordringt.

Die Idee hinter dem neuen Lasertyp bestand darin, den Valley-Hall-Effekt als topo­logischen Schutz in einem Quanten­kaskadenlaser einzusetzen. Die Wissenschaftler entwarfen den neuen Quanten­kaskadenlaser als dreieckige Struktur, wobei ein Substrat aus Gallium­arsenid auf Aluminium­galliumarsenid als licht­verstärkendes Material wählten. In dieses Substrat bohrten sie kleine, beinahe sechseckige Löcher mit einer Gitter­länge von knapp zwanzig Mikro­metern. Allerdings nur beinahe sechseckig: Um einen topo­logischen Unterschied herstellen zu können, waren je drei Kanten etwas länger als anderen, so dass die hexagonale Symmetrie gebrochen war. Innerhalb eines dreieckigen Bereiches kehrte sich die Orientierung der kleinen Löcher nun um, so dass sich hier topo­logische Randzustände ausbilden konnten. Dies lag an der gebrochenen Symmetrie des Gitters, was in der elek­tronischen Bandstruktur zu Tälern führte.

Ein solcher „valley photonic crystal“ (VPC) ist das photo­nische Analogon zu den zwei­dimensionalen Materialien der Valley­tronic, bei denen die lokalen Minima in der elek­tronischen Bandstruktur genutzt werden. Allerdings lassen sich topo­logische Eigenschaften nicht ganz einfach von der Elektronik in die Photonik übersetzen. In der Optik spielen Effekte wie Streuung und Unordnung eine noch größere Rolle als in der Elektronik, so dass Inter­ferenzen und Verluste auftreten können, die das gewünschte Laser­verhalten schnell nachhaltig beeinflussen können. 

Dank der geschickten Anordnung konnten die Forscher solche Probleme aber umgehen. Die große dreieckige Struktur fungierte als Ring­resonator und führte zur Emission von Terahertz­strahlung mehrerer Wellen­längen, die ähnliche Abstände zueinander aufwiesen und bei rund 2,95 bis 3,45 Terahertz lagen. Wie die Wissen­schaftler nachweisen konnten, sendete ihr Laser von verschiedenen Orten entlang des Dreieck-Rands Licht aus, wobei sich überall die gleichen Resonanz­frequenzen ergaben. Offen­sichtlich wanderten die Lichtwellen dank des topo­logischen Schutzes am Rand entlang und wurden auch von den Knicken an den Ecken des Dreiecks nicht aufgehalten.

Der topo­logische Schutz ließ sich eindrucksvoll nachweisen: Die Forscher führten Defekte in das Material ein – etwa durch zusätz­liche Löcher –, ohne dass dies das Laser­verhalten signifikant beein­flusste. Zudem ließ sich dieser Laser elektrisch betreiben und benötigte keine optische Pumpleistung. Das macht Hoffnung, solche Laser in Zukunft auch in der Anwendung zu sehen – auch wenn dafür noch einiges an weiterer Entwicklung nötig sein dürfte.

Quanten­kaskadenlaser sind ein hervor­ragendes Beispiel dafür, dass es manchmal von der Theorie bis praktischen Umsetzung einige techno­logische Durchbrüche benötigt. So wurde der grund­legende Mechanismus bereits 1971 theoretisch von R. F. Kazarinov und R. A. Suris vorher­gesagt. Bis zum ersten funk­tionierenden Laser brauchte es aber über zwanzig Jahre, da hierzu neue und verfeinerte Verfahren wie die Molekular­strahl­epitaxie erforderlich waren. Wie lange nun topo­logisch stabi­lisierte Quanten­kaskadenlaser bis zur kommerziellen Umsetzung auf sich warten lassen werden, lässt sich natürlich nicht exakt vorher­sagen. Es wird aber mit Sicherheit weniger als zwanzig Jahre dauern.

Dirk Eidemüller

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