Forschung & Entwicklung

Heterokristall-Leuchtstäbchen für optische Schaltkreise

Optische Quantenrechner, die immer größere Datenmengen bewältigen, benötigen Materialien, die Photonen aufnehmen und weiterleiten können. Ermöglichen könnte dies eine gezielte Konstruktion photonischer Heterokristalle mit justierbaren Eigenschaften.

Erfolgsgeheimnis des Teams um Ze Chang und Xian-He Bu von der Nankai-Universität in Tianjin sind gezielt konstruierte metallorganische Gerüstverbindungen (metal-organic frameworks, MOFs), gitterartige Strukturen aus metallischen ‚Knotenpunkten‘, die über organische Liganden verbrückt sind und in ihren käfigartigen Hohlräumen andere Moleküle als ‚Gäste‘ einschließen können, wenn diese während der Kristallisation zugegeben werden. Die Gäste und ein Teil der in das Gitter integrierten Liganden sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass die Gästeelektronen auf diese Ligandenmoleküle übertragen (charge transfer). Solche Systeme neigen zum Fluoreszieren. Die Farbe der Fluoreszenz hängt bei gegebenem MOF von der Art der Gastspezies ab.

Ein weiterer Vorteil der MOF-Strukturen: Die Kristallisation erfolgt durch schichtweises Aufwachsen auf einen Kristallisationskeim in einer Vorzugsrichtung. So ließen sich unter anderem stäbchenförmige Kristalle herstellen. Während der Kristallisation wechselten die Forscher die Art der zugegebenen Gastmoleküle. So entstanden ‚gestreifte‘ Stäbchen mit separaten Domänen, die unterschiedlich fluoreszieren. Beispielsweise stellten sie Stäbchen her, deren beide Endstücke im UV-Licht absorbieren und blaugrün fluoreszieren, während das Mittelstück im grünen Bereich absorbiert und rotes Licht emittiert. Aufgrund ihres direkten Kontakts kann eine Energieübertragung zwischen den Domänen stattfinden: Ein Teil der blaugrünen Photonen kann auf das Mittelstück weitergereicht werden und hier eine rote Fluoreszenz erzeugen. Der Clou: die Stäbchen verhalten sich wie Lichtleiter, das heißt, egal, an welcher Stelle sie angestrahlt werden, ein Teil des Fluoreszenzlichts wird durch das gesamte Stäbchen bis an dessen Spitzen transportiert.

Auf dieser Basis eines solchen Stäbchens entwarfen die Forscher den Prototyp für eine logische Schaltung mit zwei ‚Eingängen‘ und zwei ‚Ausgängen‘, das heißt Stellen, an denen Licht eingespeist beziehungsweise in Form roter und/oder blaugrüner Signale registriert werden kann. Die Forscher sehen potenzielle Anwendungen ihrer MOF-Kristalle in Bauteilen mit integrierten optischen Schaltkreisen, wie photonischen Dioden, On-chip-Signalverarbeitung und optischen Logikgattern.

von mn

Originalveröffentlichung:

[X.‐T. Liu, K. Wang, Z. Chang, Y.‐H. Zhang, J. Xu, Y. S. Zhao, X.H. Bu, Engineering Donor–Acceptor Heterostructure Metal–Organic Framework Crystals for Photonic Logic Computation, Angew. Chem. (2019), DOI: 10.1002/ange.201906278]

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