Einzelne Photonen bei Raumtemperatur
Elektrisch angesteuerte Farbstoffmoleküle in einer Matrix könnten als neue Lichtquelle dienen.
Eine innovatives Bauelement, das einzelne Photonen ausschickt, haben Jens Pflaum vom Physikalischen Institut der Uni Würzburg und seine Kooperationspartner aus Stuttgart und Ulm jetzt vorgestellt. Die neuartige Lichtquelle hat gleich mehrere Vorteile: Sie besteht aus Standardmaterialien für organische Leuchtdioden, ist relativ einfach herzustellen und lässt sich elektrisch betreiben. Zudem funktioniert sie bei Raumtemperatur. Denn vergleichbare optische Bauelemente aus Halbleitermaterialien wie etwa Galliumarsenid können bislang nur bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt betrieben werden.
Abb.: Das neuartige Bauteil, mit dem sich bei Raumtemperatur einzelne Photonen (roter Pfeil) erzeugen lassen, ist unten schematisch gezeigt und oben im Betrieb. Durch die kreisförmigen Kontakte fließt Strom, der die darunterliegenden Farbstoffmoleküle zum Leuchten anregt. (Bild: B. Stender)
Die Lichtquelle ist ähnlich aufgebaut wie der Pixel eines Displays: Auf ein Trägermaterial – in diesem Fall ein Glasplättchen – wird eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht. Darauf kommt eine Matrix aus organischem Kunststoff, in die einzelne Moleküle eines Farbstoffs eingebettet sind. Auf der Matrix werden elektrische Kontakte angebracht. Schließt man diese an eine Batterie an, fließt Strom zu den Farbstoffmolekülen und regt diese dazu an, beständig einzelne Photonen abzufeuern. Das haben die Physiker mit Photonenkorrelationsmessungen nachgewiesen. Anwendung könnte der Einzelphotonenemitter beispielsweise in der Quantenkryptographie finden.
Abb.: Chemische Struktur des Iridium-basierten Moleküls, das die Wissenschaftler zur Erzeugung einzelner Photonen eingesetzt haben. (Bild: Physikalisches Institut U. Würzburg)
Für diesen Fortschritt waren drei Kniffe entscheidend: Die Auswahl der richtigen Farbstoffmoleküle – es handelt sich dabei um chemische Strukturen, bei denen jeweils drei organische Komplexe um ein Iridium-Atom gruppiert sind. Eine gleichmäßige Verteilung der Farbstoffmoleküle in der Matrix – lägen die Moleküle zu eng beieinander, würden sie sich gegenseitig beeinflussen und keine einzelnen unabhängigen Photonen abgeben. Und die Gestaltung der Grenzfläche zwischen den elektrischen Kontakten und der Matrix – damit die Elektronen überhaupt in die Polymermatrix injiziert werden können. In diesem Fall hatten die Wissenschaftler mit einem Kontakt aus einer Doppelschicht Aluminium und Barium Erfolg.
„Wir werden nun versuchen, die Matrix mit den Farbmolekülen und den elektrischen Kontakten auf verschiedene Trägermaterialien aufzubringen, um dadurch auch flexible Unterlagen wie etwa Folien einsetzen zu können“, so Jens Pflaum.
U. Würzburg / PH
