Forschung & Entwicklung

Quantenpunkte erzeugen Superfluoreszenz

Mithilfe geordneter Nanokristallstrukturen lässt sich Superfluoreszenz künstlich erzeugen. Dies könnte zukünftige Entwicklungen in den Bereichen LED-Beleuchtung, Quantensensorik, Quantenkommunikation und zukünftige Quantencomputer ermöglichen.

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

Forscher 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 (CsPbX3) einen Weg zur On-Demand-Superfluoreszenz bietet. Dazu ordneten die Forscher 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-Photonenzuständen, bislang eine der fehlenden Schlüsselressourcen für Quantensensorik, Quantenbildgebung und photonisches Quantenrechnen.

Eine kohärente Kopplung der Quantenpunkte erfordert jedoch, dass sie alle die gleiche Größe, Form und Zusammensetzung aufweisen. „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 Forscher 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 den endgültigen Beweis für die Superfluoreszenz – die Photonen emittierten tatsächlich simultan.

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. Das kontrollierte Erzeugen von Superfluoreszenz und dem entsprechenden Quantenlicht könnten neue Möglichkeiten in der Quanteninformatik, der Quantensensorik und der quantenverschlüsselten Kommunikation eröffnen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[G. Raino, M. A. Becker, M. I. Bodnarchuck, R. F. Mahrt, M.V. Kovalenko, T. Stöferle, Superfluorescence from Lead Halide Perovskite Quantum Dot Superlattices, Nature (2018), DOI: 10.1038/s41586-018-0683-0]

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