Sandwichstruktur von Nanokristallen als Quantenlichtquelle

Anregende Photoemitter können kooperieren und gleichzeitig ausstrahlen, ein Phänomen, das als Superfluoreszenz bezeichnet wird. Forscher von Empa und ETH Zürich konnten diesen Effekt kürzlich zusammen mit Kollegen von IBM Research Zurich mit weiträumig geordneten Nanokristall-Supergittern erzeugen. Diese Entdeckung könnte zukünftige Entwicklungen in den Bereichen LED-Beleuchtung, Quantensensorik, Quantenkommunikation und zukünftige Quantencomputer ermöglichen. Die Studie wurde gerade in der renommierten Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Einige Materialien emittieren spontan Licht, wenn sie von einer externen Quelle, zum Beispiel einem Laser, angeregt werden. Dieses Phänomen wird als Fluoreszenz bezeichnet. In mehreren Gasen und Quantensystemen kann es jedoch zu einer wesentlich stärkeren Lichtemission kommen, wenn die Emitter innerhalb eines Ensembles spontan ihre quantenmechanische Phase miteinander synchronisieren und bei Anregung zusammenwirken. Auf diese Weise kann die resultierende Lichtleistung viel intensiver sein als die Summe der einzelnen Emitter, was zu einer ultraschnellen und hellen Lichtemission – Superfluoreszenz – führt. Sie tritt jedoch nur dann auf, wenn diese Strahler hohe Anforderungen erfüllen, wie z.B. gleiche Emissionsenergie, hohe Kopplungsstärke zum Lichtfeld und eine lange Kohärenzzeit. Als solche interagieren sie stark miteinander, werden aber gleichzeitig nicht so leicht durch ihre Umgebung gestört. Dies war bisher mit technologisch relevanten Materialien nicht möglich. Kolloidale Quantenpunkte könnten genau das Richtige sein; sie sind eine bewährte, kommerziell attraktive Lösung, die bereits in den fortschrittlichsten LCD-Fernsehern eingesetzt wird – und sie erfüllen alle Anforderungen.

Forscher der Empa und der ETH Zürich unter der Leitung von Maksym Kovalenko und Kollegen von IBM Research Zurich haben nun gezeigt, dass die neueste Generation von Quantenpunkten aus Halogenid-Perowskiten einen eleganten und praktisch bequemen Weg zur Superfluoreszenz on demand bietet. Dazu ordneten die Forscher Perowskit-Quantenpunkte zu einem dreidimensionalen Übergitter an, das die kohärente kollektive Emission von Photonen ermöglicht – und damit Superfluoreszenz erzeugt. Dies bildet die Grundlage für die Quellen verschränkter Multi-Photonen-Zustände, einer fehlenden Schlüsselressource für Quantensensorik, Quantenbildgebung und photonisches Quantenrechnen.

„Federvögel scharen sich zusammen.“

Eine kohärente Kopplung der Quantenpunkte erfordert jedoch, dass sie alle die gleiche Größe, Form und Zusammensetzung haben, denn auch im Quantenuniversum scharen sich „Vögel einer Feder zusammen“. „Solche weiträumig geordneten Übergitter konnten nur aus einer hochmonodispersen Lösung von Quantenpunkten gewonnen werden, deren Synthese in den letzten Jahren sorgfältig optimiert wurde“, sagt Maryna Bodnarchuk, Senior Scientistin an der Empa. Mit solchen „einheitlichen“ Quantenpunkten unterschiedlicher Größe könnte das Forschungsteam dann Übergitter bilden, indem es die Lösungsmittelverdampfung richtig steuert.

Der letzte Beweis für die Superfluoreszenz stammt aus optischen Experimenten, die bei Temperaturen von etwa minus 267 Grad Celsius durchgeführt wurden. Die Forscher entdeckten, dass Photonen gleichzeitig in einem hellen Stoß emittiert wurden: „Das war unser Eureka!“ Moment. In dem Moment, als wir feststellten, dass es sich um eine neuartige Quantenlichtquelle handelte“, sagte Gabriele Rainó von der ETH Zürich und der Empa, die Teil des Teams war, das die optischen Experimente durchführte.

Die Forscher betrachten diese Experimente als 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 Zürich und IBM Research. Die kontrollierte Erzeugung von Superfluoreszenz und dem entsprechenden Quantenlicht könnte neue Möglichkeiten in der LED-Beleuchtung, der Quantensensorik, der quantenverschlüsselten Kommunikation und dem zukünftigen Quantencomputer eröffnen.

Mehr Informationen:
Gabriele Rainò et al. Superfluoreszenz aus Bleihalogenid-Perowskit-Quantenpunktübergittern, Natur (2018). DOI: 10.1038/s41586-018-0683-0

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