Ein neuer Laser ist rund zehnmal kleiner als die Wellenlänge des von ihm ausgesendeten Lichts. Anstatt wie ein gewöhnlicher Laser elektromagnetische Wellen zu verstärken, nutzt das neue Modell erstmals Oberflächen-Plasmonen – winzige Schwankungen in der Dichte von freien Elektronen an Metallenoberflächen.

Mikhail Noginov von der Norfolk State University in Virginia und seine Kollegen schlossen Goldnanopartikel in eine Silikathülle mit einem Durchmesser von nur 44 Nanometern ein, die einen organischen Farbstoff enthielt. Bestrahlten sie ihr Konstrukt nun mit sichtbarem Licht einer bestimmten Frequenz, wurden zum einen die Farbstoffmoleküle angeregt und zum anderen bildeten sich auf den Nanopartikeln Oberflächen-Plasmonen mit derselben Frequenz. Die oszillierenden elektrischen Ladungen erzeugten wiederum Licht mit der eingestrahlten Wellenlänge von 531 Nanometern, wodurch die Farbstoffmoleküle erneut angeregt wurden, um ihre Energie dann wieder an die Goldelektronen abzugeben.

Auf diese Weise werden die Plasmonen und das von ihnen ausgesendete grünliche Licht verstärkt. Die Nanopartikel senden die elektromagnetische Wellen allerdings in alle Richtungen und nicht in einem gebündelten Laserstrahl aus. Theoretisch könnte der so genannte Spaser (surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation) das Licht aber auf einen nanometergroßen Bereich fokussieren, während ein Laser die Photonen wegen der Beugungsgrenze allenfalls auf mikrometergroße Flächen eingrenzen kann, so die Forscher.

Bisher konnten Noginov und sein Team noch nicht eindeutig nachweisen, dass ihr Experiment kohärentes Licht produziert, was einen gewöhnlichen Laser auszeichnet. Im Gegensatz zu diesen kann der Spaser jedoch viel kleiner hergestellt werden, da der optische Resonator eines Lasers – die verstärkende Komponente – zumindest eine halbe Wellenlänge groß sein muss. Im Fall von sichtbarem Licht wären das mindestens 200 Nanometer. Womöglich könnten Spaser bis hin zu einer Größe von einem Nanometer entwickelt werden, spekuliert Noginov.

Zum Einsatz kommen könnten sie als Lichtquelle für optische Nahfeldmikroskope oder in der Nanolithografie. Die in Spasern erzeugten Oberflächen-Plasmonen sind aber auch für die Nanoelektronik interessant, so die Wissenschaftler, da sie tausendmal schneller arbeiten als heutige Transistoren. Allerdings müsste dafür ein Weg gefunden werden, die Farbstoffmoleküle statt mit Licht auf elektrische Weise anzuregen. (mp)