Klasický laser pracuje s fotónmi. V aktívnom prostredí (môže to byť napríklad zmes plynov, alebo tyč z rubínu) sa stimuluje emisia, čiže vyžiarenie fotónov, ktoré sa zosilní za pomoci optického rezonátora. Optický rezonátor väčšinou tvoria dve zrkadlá. Jedno z nich je nepriepustné a druhé, ktoré tvorí výstup lasera je priepustné čiastočne. Ako to funguje? Veľmi stručne povedané, fotóny „behajú“ medzi dvomi zrkadlami. Prechádzajú aktívnym prostredím, kde sa stimulovane vyžiaria ďalšie a ďalšie fotóny. Žiarenie sa zosilňuje. Časť vychádza von a druhá časť sa opäť zosilňuje v rezonátore.
Minimálna dĺžka optického rezonátora musí byť polovica vlnovej dĺžky výstupného žiarenia. Znamená to, že najmenší možný optický rezonátor operujúci vo viditeľnej oblasti spektra musí mať približne 200 nm. Na použitie v nano-elektronike má ešte stále obrie rozmery.
Spaser rieši otázku, ako napchať elektromagnetické vlny do priestoru, ktorý je menší, ako ich vlnová dĺžka. Riešením sú takzvané tmavé módy, plazmóny (oscilácie voľných elektrónov). Plazmóny majú podobné vlastnosti ako fotóny. Patria medzi bozóny (majú spin 1), sú to elektricky neutrálne excitácie a veľmi slabo vzájomne interagujú. Spaser namiesto rezonátora využíva molekuly farbiva zabudované do kremíkového plášťa. Vďaka tomu sa veľkosť celého zariadenia podarila zmenšiť prižne na desatinu vlnovej dĺžky žiarenia.
S myšlienkou spasera prišli ako prví Bergman a Stockman v roku 2003. Odvtedy svoj nápad podrobne spracovali, navrhli technické riešenie a vypracovali k nim kvantovú teóriu. Inak povedané, poskytli experimentálnym fyzikom podrobný recept k ich výrobe. Bolo teda len otázkou času, komu sa skôr podarí skonštruovať prvý spaser.
Jadro spasera tvorí nanočastica zlata, ktorá má priemer 15 nm. Vonkajší zdroj žiarenia uvoľňuje zo zlata elektróny, ktoré začnú oscilovať. Plazmóny sú zosilnené molekulami farbiva z kremíkového plášťa. Oscilačný mód elektrónov nie je stabilný. V určitom momente elektróny vyžiaria v oblasti viditeľných vlnových dĺžok.
Na obrázku (a) je diagram spasera. Elektrónovým mikroskopom získali obrázok zlatého jadra (b) a zhluku spaserov (c). Simulácia vyžarovania spasera na vlnovej dĺžke 525 nm je na obrázku (d). Diagram intenzity je v pravom rohu. Červená farba predstavuje žiarenie s najväčšou intenzitou. Modrá, oblasti nulovej intenzity. Vnútorný kruh ohraničuje lokalitu zlatého jadra, vonkajší kruh kremíkový plášť. Spaser vyžaruje vo vzájomne protiľahlých smeroch v tvare V-čka.
To, že je spaser taký malý, ho umožňuje zakomponovať do čipov a optických obvodov. Je to kľúčový prvok pre stavbu super rýchlych počítačov, ktoré namiesto ťažkopádnych elektrónov, ako nositeľa informácií, budú využívať fotóny. Znamená to tiež pokrok pre mikroskopy, ktoré budú pracovať 10 krát efektívnejšie ako súčasné modely. Budeme schopný pozorovať aj také malé objekty ako napríklad DNA.
Ako vysvetľuje Stockman vo svojich článkoch, plazmóny môžu vzájomne interagovať bez toho, aby vyžarovali vo viditeľných frekvenciách. Sú citlivé na fotóny, magnetické pole a elektróny. Preto sa zo spaserov dajú vytvoriť integrované obvody. V čipoch budú schopné vzájomne „komunikovať" a kontrolovať sa za pomoci elektromagnetického poľa oscilujúcich elektrónov. Aj tranzistor pracuje s elektrónmi, ale spaserový tranzistor bude podľa výpočtov pracovať tisíc krát rýchlejšie. Vďaka tomu môžu sprostredkovať ultra-rýchle mikroprocesorové operácie. Ďalej budú integrované do nano-fotodetektorov a nano-senzorov, čo mi pripomína fakt, že by to riešilo jeden zo závažných problémov stavby nano-robotov. Chcela by som vidieť najnovšie odhady, kedy bude vyrobený prvý nano-robot. Kedy nám nano-roboti vyrobia dokonalé materiály, alebo v tele opravia upchanú cievu cholesterolom ... Ale späť k téme.
Spasery sú vytvorené z kovov, takže na rozdiel od polovodičov sú odolné vysokým teplotám, ionizujúcemu žiareniu a ťažkým enviromentálnym podmienkam, čo im zabezpečuje využitie v nukleárnom priemysle a ako inak, vo vojenskej technike. Ďalším krokom vo vývoji spaserov bude náhrada vonkajšieho zdroja žiarenia, ktorý indukuje plazmóny, za iný, elektrický zdroj. Tým sa stanú pre elektroniku ešte atraktívnejšie.
Zdroje:
Science et Vie 2009-10
Spasers explained, Mark I. Stockman, Nature publishing group 2008
Spaser as Nanoscale Quantum Generator and Ultrafast Amplifier, Mark I. Stockman, http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0908/0908.3559v1.pdf
http://www.physorg.com/news169649724.html
* opravené, ďakujem