Starkes und schnelles Licht dank „On-Demand-Superfluoreszenz“

Bestimmte Gase und Quantensystems leuchten, wenn sie von einer externen Quelle, zum Beispiel einem Laser, dazu angeregt werden. Dieses als Fluoreszenz bezeichnete Phänomen ist jedoch viel schwächer als es sein könnte. Denn die einzelnen Teilchen leuchten in der Regel nie gleichzeitig. Wissenschaftler von der ETH Zürich, Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und von IBM Research Zürich konnten die Lichtemissionen nun deutlich verstärken, indem sie die Fluoreszenz der einzelnen Teilchen durch geordnete Nanokristall-Strukturen synchronisierten.

Superfluoreszenz auf Knopfdruck

Der Effekt, den sie hierbei künstlich und „auf Knopfdruck“ erzeugten, wird als Superfluoreszenz bezeichnet. Hierbei kooperieren die einzelnen Licht-aussendenden Teilchen miteinander und erzeugen eine Lichtstärke, die um ein Vielfaches höher ist als die Summe der Einzelquellen. Das entstehende Licht ist extrem schnell und intensiv. Die im renommierten Fachmagazin „Nature“ veröffentlichte Entwicklung könnte die nächste Generation der LED-Technik ebenso beeinflussen wie Quantensensorik, -kommunikation und -computik.

Denn bisher war die gezielte Superfluoreszenz bei technisch eingesetzten Materialien nicht möglich, da der Effekt nur dann auftritt, wenn alle Lichtquellen die gleiche Emissionsenergie haben, stark miteinander gekoppelt sind und die Kohärenzzeit groß genug ist. Unter diesen Voraussetzungen interagieren die einzelnen Teilchen stark miteinander und werden zugleich weniger durch ihre Umgebung gestört. Sogenannte kolloidale Quantenpunkte bringen genau diese Voraussetzungen mit. Und sie werden schon heute kommerziell eingesetzt, etwa in der neuesten Generation von LCD-Fernsehdisplays.

Superfluoreszenz durch dreidimensionales Nanokristallgitter

Das Wissenschaftler-Team um Maksym Kovalenko hat nun gezeigt, dass sich durch Quantenpunkte, die aus Bleihalogenid-Perowskit bestehen, gezielt Superfluoreszenzen erzeugen lassen. Hierzu bauten sie die Perowskit-Quantenpunkte zu einem dreidimensionalen Übergitter auf, das die gleichzeitige Emission von Licht ermöglicht. Bei einem Übergitter (engl. superlattice) handelt es sich um einen künstlichen Festkörper, der aus einer Abfolge dünner Schichten aufgebaut ist, die sich wiederholen.  Es bildet die Grundlage dafür, dass sich die Licht-aussendenden Bestandteile verschränken.

Hierfür mussten sie Quantenpunkte schaffen, die allesamt gleich groß, gleich geformt und gleich zusammengesetzt waren. Denn auch für das Universum gilt im Sinne einer optimalen Verschränkung der Quantenteilchen: Gleich und Gleich gesellt sich gern. Die Produktion derart gleicher Quantenpunkte habe man in den letzten Jahren optimiert, so die Empa-Forscherin Maryna Bodnarchuk. Aus den erzeugten Quantenpunkten bauten die Forscher dann das Übergitter auf.

„Lichttests“ erfolgreich – bei minus 267 Grad Celsius

Die „Lichttests“ führten sie bei Temperaturen von minus 267 Grad Celsius durch. Und tatsächlich: Alle Einzelquellen leuchteten gleichzeitig. „Das war unser Heureka-Moment, als wir erkannten, dass es sich um eine neuartige Quantenlichtquelle handelt“, so Gabriele Rainò von der ETH Zürich und der Empa, der an der Durchführung der Experimente maßgeblich beteiligt war.

Die Wissenschaftler wollen die kollektiven Quanteneigenschaften der eingesetzten Materialien künftig weiter nutzen. Da die erzeugten Effekte deutlich größer seien, als die Summe der Einzelteile, könnten Superfluoreszenz und Quantenlicht die Entwicklung von Quanteninformatik, Quantensensorik und quantenverschlüsselter Kommunikation deutlich voranbringen, resümieren die Wissenschaftler.