Glödlampor, lysdioder och lågenergilampor kan snart tvingas flytta på sig eftersom en ny belysningsteknik är på gång – vit laser. Med hjälp av nanoteknik för att skapa ett skräddarsytt halvledarmaterial har ett forskarlag vid Arizona State University (ASU) utvecklat en laser som kan producera vitt ljus som är ljusare och effektivare än lysdioder.

Lasrar är en ironisk teknik. Lasern uppfanns 1960 och hyllades som en lösning på ett problem med endast två uppenbara tillämpningsområden – dödsstrålar och belysning. I dag driver lasrarna allt från DVD-spelare till Internet, medan dödsstrålarna precis har kommit igång och belysningen, som också är ny på scenen, är i stort sett begränsad till strålkastare. De senare, i fallet med Audis laserstrålkastare, använder inte vita lasrar som sådana, utan kombinerar i stället linsblå lasrar med lysdioder.

Vid en första anblick verkar lasrar vara en bra idé för belysning. De är intensivt ljusstarka, effektiva och kan bilda en stråle som kan färdas i miljontals kilometer och bara spridas ut några meter. Det finns dock ett problem – lasrar kan inte generera vitt ljus.

Under 2011 producerade Sandia National Laboratory vitt ljus genom att kombinera fyra stora lasrar till en enda stråle, men detta var endast en proof of concept-demonstration och inte ett praktiskt system.

ASU/Nature Nanotechnology

Genombrottet kom från ASU:s Ira A. Fulton Schools of Engineering, där forskarna tog fram en halvledarlaser som kan arbeta över hela det synliga färgspektrumet. Normalt sett producerar halvledare bara en enda våglängd av ljus, men ASU-teamet utvecklade ett ark av nanoskalig halvledare baserat på en kvartär legering av ZnCdSSe, som är formad i tre segment. Dessa genererar röda, gröna och blå lasrar som tillsammans skapar ett rent vitt ljus.

Teamet uppnådde detta genom att justera materialets gittermönster, så att ”gitterkonstanten” eller avståndet mellan atomerna i mönstret ställs in för att producera det önskade området. Enligt lagmedlemmen Zhicheng Liu var det knepiga att se till att halvledarkristallerna var av tillräckligt hög kvalitet och att gitteret var enhetligt över ett visst område. Att få materialet att lysa blått var den svåraste utmaningen, som övervanns genom att använda nanoteknik för att först skapa det önskade gittret och sedan få det att få rätt legeringssammansättning. Resultatet blev ett enda material med tre olika gitter och sammansättningar.

ASU-teamet ser flera användningsområden för den vita lasern när den väl blir praktisk användbar. Den mest uppenbara är inom belysning. Den nya lasern kan inte bara generera vitt ljus, utan är också helt avstämbar över hela spektrumet – vilket gör att den kan utstråla vilken önskad färg som helst – och är ljusare och effektivare än lysdioder. En annan tillämpning är i tv-apparater och datorskärmar. Enligt forskarna har lasern ett 70 procent större färgomfång som är mer exakt och levande. Dessutom skulle den kunna användas för en ljusbaserad version av Wi-Fi (eller Li-Fi). Ett sådant system skulle vara tio gånger snabbare än Wi-Fi och tio till 100 gånger snabbare än experimentella LED-system.

Den vita lasern är för närvarande i proof of concept-form och flera hinder måste övervinnas innan tekniken blir praktisk. Enligt teamet är det största av dessa att få den att fungera på ett batteri. I sin nuvarande form drivs materialet av en separat laser som pumpar in elektroner i halvledaren.

Teamets resultat publicerades i Nature Nanotechnology.