Wissenschaftler erreichen kontrollierte Superfluoreszenz mit Blei-Halid-Perowskit-Nanokristall-Supergittern

• Für Superfluoreszenz auf Abruf nutzten Forscher Quantenpunkte aus Blei-Halid-Perowskiten.
• Optische Experimente bei -267 °C lieferten endgültigen Nachweis der Superfluoreszenz.

Einige Materialien neigen dazu, kontinuierlich Licht zu emittieren, wenn sie durch Laser oder andere externe Quellen angeregt werden. Dieser Mechanismus heißt Fluoreszenz. In vielen Quantensystemen ist die Tendenz zur spontanen Lichtemission jedoch viel stärker.

Werden solche Systeme extern angeregt, synchronisieren sie ihre quantenmechanische Phase miteinander, was zu weit intensiverer Ausgabe (Lichtform) führt als die Summe einzelner Emitter. Dies resultiert in hellem, ultrakurzem Lichtblitz – Superfluoreszenz.

Dies gelingt nur, wenn Emitter spezifische Anforderungen erfüllen: hohe Kopplungsstärke mit Lichtfeld, große Kohärenzzeit, gleiche Emissionsenergie. Auch müssen sie vollständig miteinander interagieren können, ohne von Umgebung gestört zu werden. Bisher gelang dies nicht mit Tausenden technologisch relevanter Substanzen.

Forscher an ETH Zürich und Empa erzeugten diesen Effekt nun mittels langreichweitig geordneter Nanokristall-Supergitter. Dies könnte Weg bereiten für Quantencomputing, Quantensensing, quantenverschlüsselte Kommunikation und LED-Beleuchtung.

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

Kolloidale Quantenpunkte

Für Superfluoreszenz auf Abruf nutzten Autoren Quantenpunkte aus Blei-Halid-Perowskiten. Sie organisierten Perowskit-Quantenpunkte in 3D-Supergitter, was kohärente kollektive Lichtemission (Photonen) ermöglichte – Superfluoreszenz. Dynamisch rotverschobene Emission mit über 20-fach beschleunigtem radiativem Zerfall.

Mikroskopische Ansicht Supergitter (Weißlichtbeleuchtung) | Credit: Empa

Für kohärente Kopplung müssen Quantenpunkte gleiche Größe, Form, Komposition haben. Extrem monodisperse Quantenpunktlösung nötig für langreichweitig geordnete Supergitter. Solche Lösungen wurden in den letzten Jahren stark verbessert.

Autoren berichten: Durch sorgfältiges Handling der Lösungsmitteleverdampfung konnten sie Supergitter mit uniformen Quantenpunkten variierender Größe erzeugen. Insgesamt bietet es Basis für Ressourcen verschränkter Mehrphotonen-Phasen – fehlende Quelle für photonisches Quantencomputing, Quantenimaging, Sensing.

Forscher führten optische Experimente bei extrem tiefen Temperaturen, nahe -267 °C, durch – endgültiger Superfluoreszenz-Nachweis. Photonen wurden spontan in hellem Blitz ausgestoßen – neuartige Quantenlichtquelle.

Weiterlesen: Neuer elektrooptischer Laser emittiert 30 Milliarden Pulse pro Sekunde

Diese Experimente helfen Wissenschaftlern, kollektive Quantenphänomene mit Blei-Halid-Perowskiten weiter zu erforschen. Da Eigenschaften dieses einzigartigen Materials weiter verbesserbar sind, lassen sich Dinge über Engineering einzelner Quantenpunkte hinaus erkunden.