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Elektronen, die über Treppen purzeln

Die TU Wien veranstaltet gemeinsam mit der Gesellschaft für Mikro- und Nanoelektronik eine internationale Konferenz über Quantenkaskadenlaser – eine Technologie mit großem Anwendungspotenzial.

Quantenkaskadenlaser

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Quantenkaskadenlaser

Quantenkaskadenlaser

Quantenkaskadenlaser

Ein Elektron befindet sich in einem höheren Energieniveau, fällt in ein niedrigeres Niveau hinunter und wechselt dann in die benachbarte Schicht - wo es sich wieder im dort höheren Energieniveau befindet und weiter nach unten fallen kann.

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Ein Elektron befindet sich in einem höheren Energieniveau, fällt in ein niedrigeres Niveau hinunter und wechselt dann in die benachbarte Schicht - wo es sich wieder im dort höheren Energieniveau befindet und weiter nach unten fallen kann.

Ein Elektron befindet sich in einem höheren Energieniveau, fällt in ein niedrigeres Niveau hinunter und wechselt dann in die benachbarte Schicht - wo es sich wieder im dort höheren Energieniveau befindet und weiter nach unten fallen kann.

Ein Elektron befindet sich in einem höheren Energieniveau, fällt in ein niedrigeres Niveau hinunter und wechselt dann in die benachbarte Schicht - wo es sich wieder im dort höheren Energieniveau befindet und weiter nach unten fallen kann.

Laser sind aus der modernen Technologie nicht mehr wegzudenken. Ihre Eigenschaften – etwa die  Wellenlänge – hängen bei herkömmlichen Festkörperlasern vom verwendeten Material ab. Neuer Laser-Varianten wie der Quantenkaskadenlaser machen es allerdings möglich, diese Eigenschaften gezielt zu steuern ohne neue Materialien finden zu müssen. Dadurch kann Laserlicht in Wellenlängenbereichen erzeugt werden, die mit herkömmlichen Methoden nicht erreichbar sind. Die TU Wien veranstaltet von 2. bis 6. September in Baden bei Wien eine Summerschool und eine internationale Konferenz (IQCLSW 2012) zum Thema Quantenkaskadenlaser.

Laserstrahlen im Infrarotbereich

1994 wurden die ersten Quantenkaskadenlaser gebaut, seither wurden sie drastisch weiterentwickelt. „Mittlerweile können wir mit diesen Lasern ein breites Spektrum von Lichtwellenlängen erzeugen – im Infrarotbereich, bei etwa drei bis dreihundert Mikrometern“, erklärt Prof. Karl Unterrainer vom Institut für Photonik. Gemeinsam mit Claire Gmachl von der Universität Princeton leitet er die Konferenz. Auch Prof. Gottfried Strasser vom Institut für Festkörperelektronik & Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen gehört zum Organisationskomitee.

Elektronen ändern ihren Energiezustand
In herkömmlichen Lasern werden Elektronen in einem höheren Energieniveau durch ein Photon dazu gebracht, in ein niedrigeres Energieniveau zu wechseln. Dabei wird ein weiteres Photon ausgesandt – die Anzahl der Photonen erhöht sich daher immer weiter. Das Elektron muss allerdings erst wieder auf das höhere Energieniveau angehoben werden, bevor es ein weiteres Mal an diesem Effekt beteiligt sein kann.

In einem Quanten-Kaskadenlaser werden die Energieniveaus der Elektronen präzise maßgeschneidert. In Nanometer dünnen Schichten zweier unterschiedlicher Materialien lassen sich die quantenphysikalisch erlaubten Energieniveaus  beeinflussen.

Wenn an dieses Schichtsystem die richtige elektrische Spannung angelegt wird, dann lässt sich erreichen, dass das niedrigere Energieniveau der einen Schicht dem höheren Energieniveau der nächsten Schicht entspricht. Ein Elektron, das in der ersten Schicht vom höheren auf das niedrigere Energieniveau hinuntergefallen ist kann dann in die nächste Schicht wechseln – und findet sich plötzlich im höheren Energieniveau der zweiten Schicht wieder, wo es wieder auf das niedrigere Energieniveau hinunterfallen kann. Wie auf einer Treppe fällt das Elektron energetisch immer weiter nach unten – und sendet bei jedem dieser Übergänge ein Photon aus.

Laser als chemische Sensoren
„Unser Workshop soll ein Think-Tank werden, bei dem die weltweit führenden Forschungsgruppen berichten, welche spannenden Neuigkeiten es gibt, und in welche Richtung die Forschung in Zukunft gehen kann“, sagt Gottfried Strasser. Außerdem werden Doktoranden die Gelegenheit haben, in einer zweitägigen Summer School ihr Wissen über Quantenkaskadenlaser zu erweitern.
Neben der Herstellung und Charakterisierung von Quantenkaskadenlasern werden auch Anwendungsmöglichkeiten im Blickpunkt der Konferenz stehen: Besonders in der Spektroskopie und der Diagnostik sind Quantenkaskadenlaser vielversprechend – als neuartige chemische Sensoren, die berührungslos Verunreinigungen, gefährliche Substanzen oder sogar Blut- und Atemgaswerte bestimmen können.


Die IQCLSW im Netz:
http://www.ir-on.at/iqclsw2012/