Forscher erzeugen Superfluoreszenz mit Nanokristall-Übergittern

• Um Superfluoreszenz nach Bedarf zu erhalten, verwendeten die Forscher Quantenpunkte aus Bleihalogenid-Perowskiten.
• Sie führten optische Experimente bei -267 °C durch, die den endgültigen Nachweis der Superfluoreszenz erbrachten.

Einige Materialien neigen dazu, kontinuierlich Licht zu emittieren, wenn sie von einem Laser oder einer anderen externen Quelle angeregt werden. Dieser Mechanismus wird Fluoreszenz genannt. In vielen Quantensystemen ist die Tendenz zur spontanen Lichtemission jedoch viel stärker.

Wenn solche Systeme von einer externen Quelle angeregt werden, synchronisieren sie ihre quantenmechanische Phase miteinander, was zu einer viel intensiveren Leistung (in Form von Licht) führt als die einzelnen Emitter zusammen. Dies führt zu einer hellen und ultraschnellen Lichtemission, also Superfluoreszenz.

Dies geschieht jedoch nur, wenn Emitter bestimmte Anforderungen erfüllen, beispielsweise eine hohe Kopplungsstärke mit dem Lichtfeld, eine größere Kohärenzzeit und die gleiche Emissionsenergie aufweisen sollen. Außerdem müssen sie in der Lage sein, vollständig miteinander zu interagieren, ohne von ihrer Umgebung gestört zu werden. Dieses Kunststück ist den Wissenschaftlern bisher nicht mit Tausenden von technologisch relevanten Substanzen gelungen.

Kürzlich haben Forschende der ETH Zürich und der Empa diesen Effekt mit weitreichend geordneten Nanokristall-Übergittern erzeugt. Dies könnte den Weg für die Entwicklung von Quantencomputing, Quantensensorik, quantenverschlüsselter Kommunikation sowie LED-Beleuchtung ebnen.

Referenz:Natur | doi:10.1038/s41586-018-0683-0 | Empa

Kolloidale Quantenpunkte

Um Superfluoreszenz nach Bedarf zu erhalten, verwendeten die Autoren Quantenpunkte aus Bleihalogenidperowskiten. Sie organisierten Perowskit-Quantenpunkte in einem 3D-Übergitter, das eine kohärente kollektive Lichtemission (Photonen) ermöglichte, die Superfluoreszenz erzeugt. Es handelt sich um eine dynamisch rotverschobene Emission mit über 20-fach beschleunigtem Strahlungszerfall.

Mikroskopische Ansicht von Übergittern (Weißlichtbeleuchtung) | Credit:Empa

Für eine kohärente Kopplung müssen die Quantenpunkte die gleiche Größe, Form und Zusammensetzung haben. Eine extrem monodisperse Quantenpunktlösung ist erforderlich, um weitreichende geordnete Übergitter herzustellen. Solche Lösungen wurden in den letzten Jahren gründlich verbessert.

Die Autoren sagten, dass sie durch einen sorgfältigen Umgang mit der Verdampfung des Lösungsmittels Übergitter mit einheitlichen Quantenpunkten unterschiedlicher Größe erzeugen könnten. Insgesamt bietet es die Grundlage für Ressourcen verschränkter Multiphotonenphasen – eine fehlende Quelle für photonisches Quantencomputing, Quantenbildgebung und Sensorik.

Die Forscher führten optische Experimente bei extrem niedrigen Temperaturen von fast -267 °C durch, die den endgültigen Nachweis der Superfluoreszenz erbrachten. Sie fanden heraus, dass Photonen spontan in einem hellen Burst ausgestoßen wurden – eine neuartige Quantenlichtquelle.

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Diese Experimente werden Wissenschaftlern helfen, die kollektiven Quantenphänomene mit Bleihalogenidperowskiten weiter zu erforschen. Da die Eigenschaften dieses einzigartigen Materialtyps noch weiter verbessert werden können, ist es möglich, Dinge zu erforschen, die über die Konstruktion jedes einzelnen Quantenpunkts hinausgehen.