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«Synchronisiertes» Licht

08.11.2018

Wenn Fotoemitter miteinander kooperieren, dann strahlen sie gleichzeitig, ein Phänomen, das als Superfluoreszenz bekannt ist. Forschenden der Empa, der ETH Zürich und IBM Research Zürich ist es gelungen, diesen Effekt mit Hilfe von geordneten Nanokristall-Strukturen künstlich zu erzeugen. Die Entdeckung könnte zukünftige Entwicklungen in den Bereichen LED-Beleuchtung, Quantensensorik, Quantenkommunikation und zukünftige Quantencomputik ermöglichen. Die Ergebnisse der Studie sind soeben in der renommierten Fachzeitschrift «Nature» erschienen.

Einige Materialien emittieren spontan Licht, wenn sie von einer externen Quelle, etwa ein Laser, angeregt werden. Dieses Phänomen wird als Fluoreszenz bezeichnet.


Übergitter unter dem Mikroskop (Weisslichtbeleuchtung).

Empa

In mehreren Gasen und Quantensystemen kann es jedoch 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.

Der Effekt tritt jedoch nur auf, wenn die Emitter bestimmte Anforderungen erfüllen, wie gleiche Emissionsenergie, hohe Kupplungsstärke und eine lange Kohärenzzeit. Als solche interagieren sie stark miteinander, werden aber gleichzeitig nicht so leicht durch ihre Umgebung gestört.

Dies war bisher bei technologisch relevanten Materialien nicht möglich. Kolloidale Quantenpunkte könnten sich allerdings dafür eignen, handelt es sich bei ihnen doch um einen bereits bewährten, kommerziell attraktiven Ansatz, der bereits in den fortschrittlichsten LCD-Fernsehdisplays zum Einsatz kommt – und sie erfüllen sämtliche Anforderungen.

Forschende der Empa und ETH Zürich unter der Leitung von Maksym Kovalenko in Zusammenarbeit mit IBM Research Zürich haben nun gezeigt, dass die neueste Generation von Quantenpunkten aus Bleihalogenid-Perowskiten einen eleganten und bequemen Weg zur On-Demand-Superfluoreszenz bietet.

Dazu ordneten die Forschenden Perowskit-Quantenpunkte zu einem dreidimensionalen Übergitter an, das eine kohärente und kollektive Emission von Photonen ermöglicht – und damit Superfluoreszenz erzeugt. Als Übergitter (engl. superlattice) bezeichnet man einen künstlichen Festkörper aus einer Abfolge dünner Schichten, die sich periodisch wiederholen. Das wiederum bildet die Basis für Quellen von verschränkten Multi-Photonen-Zuständen, bislang eine der fehlenden Schlüsselressourcen für Quantensensorik, Quantenbildgebung und photonisches Quantenrechnen.

Gleich und gleich gesellt sich gern

Eine kohärente Kopplung der Quantenpunkte erfordert jedoch, dass sie alle die gleiche Grösse, Form und Zusammensetzung aufweisen, denn die Devise «Gleich und Gleich gesellt sich gern» gilt auch im Quantenuniversum.

«Solche geordneten Übergitter können nur aus einer hochmonodispersen Lösung von Quantenpunkten gewonnen werden, deren Synthese wir in den letzten Jahren optimiert haben», sagt die Empa-Forscherin Maryna Bodnarchuk. Mit solchen «einheitlichen» Quantenpunkten in diversen Grössen konnten die Forschenden dann Übergitter bauen, indem sie die Verdampfung des Lösungsmittels entsprechend steuerten.

Optische Experimente, die das Forscherteam bei Temperaturen von rund minus 267 Grad Celsius durchführte, lieferten dann den endgültigen Beweis für die Superfluoreszenz – die Photonen emittierten tatsächlich simultan.

«Das war unsere Heureka-Moment, als wir erkannten, dass es sich um eine neuartige Quantenlichtquelle handelt», sagt Gabriele Rainò von der ETH Zürich und der Empa, der die optischen Experimente durchführte.

Für das Forschungs-Team sind diese Experimente Ausgangspunkt, um kollektive Quantenphänomene mit dieser einzigartigen Materialklasse weiter zu nutzen.

«Da die Eigenschaften des Ensembles gegenüber der Summe seiner Teile gesteigert werden können, kann man weit über das Engineering der einzelnen Quantenpunkte hinausgehen», ergänzt Michael Becker von der ETH und IBM Research. Das kontrollierte Erzeugen von Superfluoreszenz und dem entsprechenden Quantenlicht könnten neue Möglichkeiten in der Quanteninformatik, der Quantensensorik und der quantenverschlüsselten Kommunikation eröffnen.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Maksym Kovalenko
Empa, Thin Films and Photovoltaics
ETH, Functional Inorganic Materials
Tel. +41 58 765 4557
Maksym.Kovalenko@empa.ch

Dr. Maryna Bodnarchuck
Empa, Thin Films and Photovoltaics
Tel. +41 58 765 59 40
Maryna.Bodnarchuk@empa.ch

Dr. Gabriele Rainò
ETH Zurich, Laboratory of Inorganic Chemistry
Tel. +41 44 633 09 97
rainog@ethz.ch

Dr. Thilo Stöferle
IBM Research – Zurich
Phone +41 44 724 85 01
tof@zurich.ibm.com

Originalpublikation:

G Raino, MA Becker, MI Bodnarchuck, RF Mahrt, MV Kovalenko, T Stöferle; Superfluorescence from Lead Halide Perovskite Quantum Dot Superlattices; Nature, DOI: 10.1038/s41586-018-0683-0
https://www.nature.com/articles/s41586-018-0683-0

Weitere Informationen:

https://www.empa.ch/web/s604/nature-superfluorescence

Rainer Klose | Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt

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