22.05.2018

Das „zweite Licht“

Positronen-induzierte Lumineszenz toppt mit Lichtausbeute und gibt Hinweise auf Materialeigenschaften von Leuchtstoffen.

Leuchtstoffe werden schon lange benutzt, im Alltag zum Beispiel im Bildschirm von Fern­seh­geräten oder in PC-Monitoren, in der Wissen­schaft zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchen­strahlen. Gleich ob Teilchen oder Anti­teilchen – treffen sie auf einen Leucht­stoff auf, regen sie ihn zum Lumi­nes­zieren an. Unbekannt war jedoch bisher, dass die Licht­ausbeute mit Elektronen wesen­tlich niedriger ist als mit Posi­tronen, ihren Anti­teilchen. Dies hat Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasma­physik (IPP) in Garching und Greifs­wald jetzt beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen entdeckt.

Abb.: Blick in das Innere der Teilchen-Falle für Elektronen oder Positronen. Mit dem kreisrunden Leuchtschirm rechts vorne lässt sich feststellen, wie viele Teilchen die Falle einschließt. (Bild: IPP, Eve Stenson)

„Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hoch­leuch­tender Nieder­spannungs-Displays hoffen, in der die Leucht­schirme nicht von Elektronen, sondern von Positronen angeregt werden“, meint Dr. Eve Stenson augen­zwinkernd zu ihrer Entdeckung. „Das ist aber leider nicht machbar“. Trotzdem könnte es eine Zukunft für Positronen-induzierte Lumines­zenz geben.

Dazu müsse man sich klarmachen, so 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 an der getroffenen Stelle 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 im See der Elektronen des Leucht­stoffs, 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“, sagt Eve Stenson. 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.

Abb.: Dr. Eve Stenson an der Teilchenfalle, die hier von einem Magneten (schwarz) umgeben ist. (Bild: IPP, Julia Sieber)

Gefunden hat Eve Stenson die unterschiedliche Wirkung von Elektronen und Positronen, als sie den Leucht­schirm an einer Teilchen-Falle kalibrieren wollte, die Elektronen oder auch Positronen speichern kann. Zu ihrer Verblüffung ergaben sich für die beiden Teilchen­sorten zwei ganz unterschiedliche Kurvenverläufe: Positronen einer Energie von einigen zehn Elektronen­volt erzeugten in den von Eve Stenson unter­suchten Leucht­schirmen aus Zink­sulfid oder Zink­oxid so viel Licht wie Elektronen mit mehreren tausend Elektronen­volt: „Um das zu verstehen, fand ich mich plötzlich auf einem unge­planten Abstecher aus der Plasma­physik tief in die Fest­körper­physik wieder“. Denn sie musste feststellen, 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 Professor Dr. Thomas Sunn Pedersen erstmals ein Materie-Antimaterie-Plasma aus Elektronen und Positronen herstellen will.

IPP / LK

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