Wenn Fotoemitter miteinander kooperieren, dann strahlen sie gleichzeitig. Das Phänomen ist als Superfluoreszenz bekannt. Forschern gelang es jetzt, diesen Effekt mit Hilfe von geordneten Nanokristall-Strukturen künstlich zu erzeugen.
Übergitter unter dem Mikroskop (Weißlichtbeleuchtung)
Empa
Bestimmte Stoffe können durch Bestrahlung mit Licht angeregt werden und daraufhin selbst wieder Licht aussenden: Sie fluoreszieren. Bei der Anregung werden die Elektronen der fluoreszierenden Moleküle auf ein höheres Energieniveau gebracht und fallen kurz darauf wieder in den Grundzustand zurück, wobei sie Licht mit einer für diesen Übergang charakteristischen Energie aussenden. Wie man sich diesen Effekt etwa in der Fluoreszenzmikroskopie zunutze macht, beschreiben die Springer-Autoren Sylvia Feil, Jörg Resag und Kristin Riebe in "Faszinierende Chemie" ab Seite 310: "Das Fluoreszenzlicht hat also je nach Art des Moleküls eine ganz bestimmte Energie und damit auch Wellenlänge und Farbe, sodass man mit Farbfiltern im Mikroskop genau dieses Licht herausfiltern und dadurch die fluoreszierenden Bereiche oder sogar einzelne Moleküle aufspüren kann."
In manchen Gasen und Quantensystemen kann es zu einer wesentlich stärkeren Lichtemission kommen, wenn sich die einzelnen Emitter innerhalb eines Ensembles spontan synchronisieren und bei Anregung gemeinsam wirken. Die Licht-Emission ist dabei um ein Vielfaches stärker als die Summe der einzelnen Emitter, was zu einer ultraschnellen und intensiven Emission von Licht führt, genannt Superfluoreszenz.
Forscher der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) und ETH Zürich unter der Leitung von Maksym Kovalenko haben nun in Zusammenarbeit mit IBM Research in Zürich zeigen können, dass die neueste Generation von Quantenpunkten aus Bleihalogenid-Perowskiten einen eleganten und bequemen Weg zur On-Demand-Superfluoreszenz bietet. Dazu ordneten sie Perowskit-Quantenpunkte zu einem dreidimensionalen Übergitter an, das eine kohärente und kollektive Emission von Photonen ermöglicht – und damit Superfluoreszenz erzeugt. Als Übergitter (superlattice) bezeichnet man einen künstlichen Festkörper aus einer Abfolge dünner Schichten, die sich periodisch wiederholen, erläutern die Empa-Wissenschaftler. Das wiederum bilde die Basis für Quellen von verschränkten Multi-Photonen-Zuständen, bislang eine der fehlenden Schlüsselressourcen für Quantensensorik, Quantenbildgebung und photonisches Quantenrechnen. Die Ergebnisse ihrer Studie haben die Forscher jetzt in Nature veröffentlicht. Ihre Entdeckung könnte, so die Forscher, die weitere Entwicklung in den Bereichen LED-Beleuchtung, Quantensensorik, Quantenkommunikation und zukünftige Quantencomputer beeinflussen.