Forschung & Entwicklung

Positronen leuchten besser

Treffen Teilchen oder Antiteilchen auf einen Leuchtstoff, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit Positronen.

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungsdisplays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von Elektronen, sondern von Positronen angeregt werden“, meint Dr. Eve Stenson vom Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald. Das sei aber leider nicht machbar. Trotzdem könnte es eine Zukunft für positroneninduzierte Lumineszenz geben.

Dazu müsse man sich klarmachen, sagt Eve Stenson, warum Positronen Leuchtstoffe so viel stärker anregen als gleich schnelle Elektronen: Beide, Elektronen und Positronen, geben ihre Bewegungsenergie beim Aufprall an das Leuchtmittel ab. Bei diesem Zusammenstoß werden Elektronen des Leuchtstoffs aus einem tieferen auf ein höheres Energieniveau gehoben. Beim Zurückfallen geben sie die freiwerdende Energie als Licht wieder ab – der Stoff leuchtet auf.

Im Fall eines aufprallenden Positrons tritt jedoch noch ein zweiter Effekt auf: Nachdem es seine Energie im Leuchtstoff abgegeben hat, kann sich das Positron dort mit einem Elektron, seinem Antiteilchen, vernichten. Es bleibt ein Loch, in das andere Elektronen aus höheren Energieniveaus fallen können, was zu einer nochmaligen Lichtaussendung führt. Insgesamt erklärt dies die höhere Lichtausbeute der Positronen. Dieses ‚zweite’ Licht könnte jedoch auch Informationen über die Materialeigenschaften des Leuchtstoffs und den Mechanismus der Lumineszenz liefern. Denn obwohl lumineszierende Stoffe und Leuchtschirme seit Jahrzehnten verwendet werden – in Fernsehern, Displays, Hinweisschildern, physikalischen Sensoren oder als Nanopartikel in der Medizin – sind wichtige physikalische Details ihres Verhaltens noch nicht geklärt.

Gefunden hat Eve Stenson die unterschiedliche Wirkung von Elektronen und Positronen, als sie den Leuchtschirm an einer Teilchenfalle kalibrieren wollte, die Elektronen oder auch Positronen speichern kann. Für die beiden Teilchensorten ergaben sich zwei ganz unterschiedliche Kurvenverläufe: Positronen einer Energie von einigen zehn Elektronenvolt erzeugten in den untersuchten Leuchtschirmen aus Zinksulfid oder Zinkoxid so viel Licht wie Elektronen mit mehreren tausend Elektronenvolt. Stenson stellte bei ihren Experimenten fest, dass die von Elektronen und Positronen ausgelöste Lumineszenz für niedrige Energien bislang offensichtlich noch nie verglichen worden war, obwohl beide Teilchensorten routinemäßig mit Leuchtschirmen nachgewiesen werden.

Die Teilchenfalle gehört zu einem gerade entstehenden experimentellen Aufbau, mit dem ein Team unter Leitung von IPP-Wissenschaftler Prof. Thomas Sunn Pedersen erstmals ein Materie-Antimaterie-Plasma aus Elektronen und Positronen herstellen will.

Originalveröffentlichung:

[E. V. Stenson, U. Hergenhahn, M. R. Stoneking, T. Sunn Pedersen, Positron-Induced Luminescence, in: Phys. Rev. Lett. 120 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.147401]

von mn

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