Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Laserlicht aus Wärme

13.11.2012
Wärme bereitet in der Mikroelektronik nicht selten Probleme. Ingenieure kühlen Mikrochips und andere Bauteile mit großem technischem Aufwand, um die im Betrieb entstehende Hitze abzuführen.

Innsbrucker Physiker stellen nun ein Konzept für einen Laser vor, der nur durch Wärme angetrieben wird. Diese Idee könnte einen völlig neuen Weg zur Kühlung von Mikrochips eröffnen.


Schematische Darstellung eines Quanten-Kaskadenlasers. Die Schichten aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien ergeben die gezeigte Bandstruktur.

Grafik: Christoph Deutsch

Seit der Erfindung vor 50 Jahren hat das Laserlicht unseren Alltag erobert. In allen Lebensbereichen werden heute Laser unterschiedlichster Wellenlänge und Leistung eingesetzt, von der Unterhaltungselektronik über die Telekommunikation bis zur Medizin. Es sind jedoch nicht alle Wellenlängen gleich gut erschlossen.

Für den Bereich der fernen Infrarot- und der Terahertz-Strahlung stellen sogenannte Quanten-Kaskadenlaser die technisch bedeutendste Quelle dar. Die Lichtverstärkung in einem solchen Kaskadenlaser wird durch eine wiederholte Abfolge aus präzise konstruierten Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotierung erzielt, durch die elektrischer Strom geleitet wird.

„Die Elektronen durchlaufen diese Struktur durch eine genau bestimmte Abfolge von Tunnelprozessen und Quantensprüngen und senden dabei kohärente Lichtteilchen aus“, erklärt Helmut Ritsch vom Institut für Theoretische Physik an der Universität Innsbruck das Funktionsprinzip. „Zwischen den einzelnen Schichten stoßen die Elektronen allerdings mit anderen Teilchen und erwärmen auf diese Weise den Laser.“ Quanten-Kaskadenlaser funktionieren deshalb nur, solange sie stark gekühlt werden. Erhitzt sich ein Bauteil zu stark, erlischt das Laserlicht.

Revolutionäre Idee

Auf der Suche nach Möglichkeiten, die Wärmeerzeugung in Lasern zu begrenzen, hat die Doktorandin Kathrin Sandner gemeinsam mit Helmut Ritsch nun eine revolutionäre Idee hervorgebracht: Die Theoretiker wollen Temperaturunterschiede für den Betrieb des Lasers nutzen. In einer vor kurzem in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlichten Arbeit sagen die beiden theoretisch vorher, dass sich der Heizeffekt von Quanten-Kaskadenlaser durch trickreiche Veränderung der Dicke der Halbleiterschichten nicht nur vermeiden, sondern sogar umkehren lässt.

„Ein entscheidender Trick dabei ist es, warme und kalte Bereiche im Laser räumlich voneinander zu trennen“, erklärt Kathrin Sandner. „In einem sogenannten Temperaturgradienten-Laser werden die Elektronen im heißen Bereich thermisch angeregt und tunneln dann in den kühleren Bereich, wo Photonen emittiert werden.“ So entsteht ein Kreislauf, in dem Lichtteilchen ausgesandt und gleichzeitig Wärmeenergie aus dem System entzogen wird. „Zwischen den Emissionsschritten wird jeweils ein Gitterschwingungsquant absorbiert und dabei der Laser gekühlt. Entwickelt man diese Idee weiter, sieht man, dass die Präsenz thermischer Quanten, sogenannter Phononen ausreichen kann, die gesamte Energie für die Laserverstärkung bereitzustellen“, so Theoretikerin Sandner. Ein solcher Laser könnte dann ohne elektrischen Strom betrieben werden, solange der Temperaturunterschied aufrechterhalten wird.

„Es ist sicher sehr herausfordernd, diese Idee im Experiment umzusetzen“, sagt Helmut Ritsch. „Wenn es aber gelingen sollte, wäre das eine echte technische Innovation.“ Das Prinzip kann aber auch bereits auf bestehende Quanten-Kaskadenlaser angewendet werden und dort für eine interne Kühlung sorgen. Dieses eingeschränkte Konzept scheint relativ einfach umsetzbar und wird von Experimentalphysikern bereits geprüft.

Elegant und mit technischem Potential

„Neben der konzeptuellen Eleganz dieser Idee, könnte sich hier ein völlig neuer Weg eröffnen, die Abwärme in Mikrochips nutzbringend zu verwenden, anstatt sie mittels aufwändiger Kühlung abführen zu müssen“, zeigt sich Helmut Ritsch über die Arbeit seiner Doktorandin begeistert. Kathrin Sandner hat in Freiburg im Breisgau Physik studiert und forscht seit 2009 am Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Wenn man in Europa Quantenoptik machen will, dann ist Innsbruck die erste Adresse“, so Sandner über ihre Motivation, in Innsbruck zu arbeiten. Die Forscherin erhielt von der Österreichischen Akademie der Wissenschaften ein DOC-fFORTE-Stipendium und wird von der Universität Innsbruck mit einem Doktoratsstipendium unterstützt. Sandner schließt in Kürze ihr Doktoratsstudium in Innsbruck ab.

Publikation: Temperature Gradient Driven Lasing and Stimulated Cooling. K. Sandner, H. Ritsch. Phys. Rev. Lett. 109, 193601 (2012) DOI:10.1103/PhysRevLett.109.193601 http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.193601

Rückfragehinweis:

Univ.-Prof. Mag.Dr. Helmut Ritsch
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507-52213
E-Mail: helmut.ritsch@uibk.ac.at
Dipl.-Phys. Kathrin Sandner
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507-52224
E-Mail: kathrin.sandner@uibk.ac.at
Dr. Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Telefon: +43 512 507-32022
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at

Dr. Christian Flatz | Universität Innsbruck
Weitere Informationen:
http://www.uibk.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Quantenphysik – heiß und kalt zugleich
17.04.2015 | Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg

nachricht Forscher verschieben Moleküle auf Oberflächen: Nur halb so viel Kraft nötig wie theoretisch gedacht
17.04.2015 | Universität Regensburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forscher verschieben Moleküle auf Oberflächen: Nur halb so viel Kraft nötig wie theoretisch gedacht

Forscher der Universität Regensburg haben ein interessantes Phänomen aus der Welt der Quantenphysik entdeckt: Um ein Kohlenmonoxidmolekül auf einer Oberfläche seitlich zu verschieben, ist nur halb so viel Kraft erforderlich, wie theoretisch zu erwarten wäre.

Ein Team um Prof. Dr. Franz J. Gießibl vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik machte diese Beobachtung bei Versuchen mit einem...

Im Focus: Autoklavierbare LEDs für die Medizintechnik

Das neue Keramik-SMD-Design der Solidur™ TO LED ermöglicht komplexe Chipkonfigurationen in einem einzigen LED-Modul.

SCHOTT stellte vor kurzem seine neue autoklavierbare und hochbeständige Solidur™ LED-Produktlinie für Geräte und Instrumente der Medizin- und Dentaltechnik...

Im Focus: Astronomers reveal supermassive black hole's intense magnetic field

Astronomers from Chalmers University of Technology have used the giant telescope Alma to reveal an extremely powerful magnetic field very close to a supermassive black hole in a distant galaxy

Astronomers from Chalmers University of Technology have used the giant telescope Alma to reveal an extremely powerful magnetic field very close to a...

Im Focus: Eine „Flipper-Maschine“ für Atome und Photonen

Physiker vom MPQ, Caltech und ICFO haben ein neues Konzept entwickelt, durch Kombination von Nano-Photonik mit ultrakalten Atomen Quanten-Vielteilchensysteme zu simulieren und neue Materiezustände zu erzeugen.

Ultrakalte Atome in optischen Gittern, die durch die kreuzweise Überlagerung von Laserstrahlen entstehen, haben sich bereits als die meist versprechenden...

Im Focus: A “pin ball machine” for atoms and photons

A team of physicists from MPQ, Caltech, and ICFO proposes the combination of nano-photonics with ultracold atoms for simulating quantum many-body systems and creating new states of matter.

Ultracold atoms in the so-called optical lattices, that are generated by crosswise superposition of laser beams, have been proven to be one of the most...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Kaba Ideen Netzwerk geht in die nächste Runde

17.04.2015 | Veranstaltungen

VDI-Expertenforum: Effiziente Softwareentwicklung in der Medizintechnik

17.04.2015 | Veranstaltungen

Impflücken schließen. Die Europäische Impfwoche beginnt

17.04.2015 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Das Kaba Ideen Netzwerk geht in die nächste Runde

17.04.2015 | Veranstaltungsnachrichten

ERP-Softwarehersteller HS zeigt mit neuer Webpräsenz Gesicht

17.04.2015 | Unternehmensmeldung

Schnelle und unkomplizierte Hilfe von HEIDENHAIN im Servicefall

17.04.2015 | Unternehmensmeldung