Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

«Synchronisiertes» Licht

Sandwich-Struktur aus Nanokristallen als Quantenlichtquelle

09.11.2018

Empa

Übergitter unter dem Mikroskop (Weisslichtbeleuchtung).

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.

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 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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Superfluoreszenz
  • Nanokristalle
  • Perowskite
Mehr über Empa
  • News

    Das programmierte Material

    Lassen sich Eigenschaften von Komposit-Materialien vorausberechnen? Empa-Spezialisten beherrschen das und helfen damit, Forschungsziele schneller zu erreichen. Dies führt zum Beispiel zu ­besseren Recyclingverfahren und elektrisch leitenden Kunststoffen für die Solarindustrie. Ali Gooneie s ... mehr

    Mikroplastik in Gewässern

    Qualvoll verendete Meeresvögel mit einem Bauch voller Plastikmüll; Plastikansammlungen so gross wie Inseln: Bilder wie diese hat heute praktisch jeder schon gesehen. Doch es gibt auch Plastikteile, die von Auge kaum sichtbar sind – Mikroplastik. Die Gefahr, die diese winzigen Teile bergen, ... mehr

    Quantenkaskaden-Laser misst Ethanol

    Quantenkaskaden-Laser können kleinste Moleküle hochpräzise messen. Bei grösseren Gasmolekülen allerdings versagt die Technologie – bis jetzt! Forscher der Empa haben es geschafft, Ethanol, ein wichtiges organisches Molekül, mit Hilfe eines solchen Lasers zu quantifizieren. In Zusammenarbeit ... mehr

  • Videos

    Eine wasserbasierte, wiederaufladbare Batterie

    Ein Gramm Wasser löst sieben Gramm NaFSI-Salz auf. So entsteht eine klare Salzlösung mit einer elektrochemischen Stabilität von bis zu 2,6 Volt - doppelt so viel wie bei anderen wässrigen Elektrolyten. mehr

    Nanozellulose-Schwämme gegen ausgelaufenes Öl

    Mit Nanozellulose gegen die Ölverschmutzungen in Gewässer. Empa-Forschenden ist es gelungen, einen Nanozellulose-Schwamm herzustellen, der Öl im Wasser aufsaugt und immer noch schwimmt. So könnte man in Zukunft ganz einfach ausgelaufenes Öl im Wasser entfernen. mehr

    Brennstoffzellen: «Saubere» Mobilität dank Wasserstoff

    Wasserstoff wird oft als «Benzin der Zukunft» bezeichnet. Die Postauto Schweiz AG betreibt versuchsweise eine Wasserstofftankstelle in Brugg AG für ihre Brennstoffzellen-Busse. An diesem Projekt beteiligt sich die Empa in Beratungsfunktion. Sie untersucht die Effizienz der Wasserstoffproduk ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Empa - Swiss Federal Laboratories for Materials Testing and Research

    mehr

    Empa (Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt)

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

    Empa

    Die Empa ist eine interdisziplinäre Forschungs- und Dienstleistungsinstitution für Materialwissenschaften und Technologieentwicklung innerhalb des ETH-Bereichs. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten der Empa orientieren sich an den Anforderungen der Industrie und den Bedürfnissen der ... mehr

Mehr über ETH Zürich
  • News

    Problemstoffe effizient beseitigen

    Mikroverunreinigungen sind eine grosse Belastung für unsere Gewässer. Sie aus dem Abwasser zu beseitigen, ist technisch jedoch sehr aufwändig. ETH-Forscher haben nun einen Ansatz entwickelt, mit dem sich diese problematischen Substanzen effizient beseitigen lassen. Wir alle nutzen in unsere ... mehr

    Wenn sich Sand wie Öl verhält

    Sand, Kaffeepulver oder Reis verhalten sich ganz anders als Wasser und Öl. Doch unter gewissen Bedingungen zeigen sich plötzlich erstaunliche Ähnlichkeiten. Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, wie sie das Verhalten von körnigen Materialien besser verstehen können. Körnige Materialien ... mehr

    Kühlen mit Licht

    ETH-Forscher haben ein Nanopartikel auf eine rekordtiefe Temperatur hinuntergekühlt. Möglich wurde dies durch eine raffinierte Versuchsanordnung, bei der gestreutes Laserlicht zum Kühlen genutzt wird. Auf so tiefe Temperaturen hat noch nie jemand zuvor ein Nanopartikel in einem Photonenkäfi ... mehr

  • Forschungsinstitute

    ETH Zürich Inst.f. Lebensm.wiss.,Ern.,Ges.

    Die Kernkompetenzen des Labors für Lebensmittelmikrobiologie sind die Detektion und Kontrolle von pathogenen Organismen im Lebensmittel, die Analyse komplexer Mikrofloren und molekulare Mechanismen der bakteriellen Pathogenität. mehr

  • Universitäten

    Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

    mehr

  • q&more Artikel

    Analytik in Picoliter-Volumina

    Zeit, Kosten und personellen Aufwand senken – viele grundlegende sowie angewandte analytische und diagnostische Herausforderungen können mit Lab-on-a-Chip-Systemen realisiert werden. Sie erlauben die Verringerung von Probenmengen, die Automatisierung und Parallelisierung von Arbeitsschritte ... mehr

    Investition für die Zukunft

    Dies ist das ganz besondere Anliegen und gleichzeitig der Anspruch von Frau Dr. Irmgard Werner, die als Dozentin an der ETH Zürich jährlich rund 65 Pharmaziestudenten im 5. Semester im Praktikum „pharmazeutische Analytik“ betreut. Mit Freude und Begeisterung für ihr Fach stellt sie sich imm ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Petra S. Dittrich

    Jg. 1974, ist Außerordentliche Professorin am Department Biosysteme der ETH Zürich. Sie studierte Chemie an der Universität Bielefeld und Universidad de Salamanca (Spanien). Nach der Promotion am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen war sie Postdoktorandin am ISAS In ... mehr

    Dr. Felix Kurth

    Jg. 1982, studierte Bioingenieurwesen an der Technischen Universität Dortmund und an der Königlich Technischen Hochschule in Stockholm. Für seine Promotion, die er 2015 von der Eidgenössisch Technischen Hochschule in Zürich erlangte, entwickelte er Lab-on-a-Chip Systeme und Methoden zur Qua ... mehr

    Lucas Armbrecht

    Jg. 1989, studierte Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs Universität in Freiburg im Breisgau. Während seines Masterstudiums konzentrierte er sich auf die Bereiche Sensorik und Lab-on-a-Chip. Seit dem Juni 2015 forscht er in der Arbeitsgruppe für Bioanalytik im Bereich Einzelzellanalytik ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.