Fünffach unwahrscheinliche Inversion

Normalerweise reicht die Energie eines Photons, um ein Atom oder Molekül anzuregen – oder sie reicht nicht. Dann hilft auch keine Dauerbestrahlung, so lehren die Grundlagen der Quantenphysik. Einen Ausweg bieten nur Mehrphotonenprozesse, also der unwahrscheinlichere Fall, dass in einem geeigneten Medium mehrere Photonen zur gleichen Zeit absorbiert werden. Dennoch ist die Umwandlung zweier Infrarotphotonen in eines mit der doppelten Frequenz bereits so alltäglich, dass beispielsweise günstige Laserpointer mit hellem, grünem Licht möglich wurden. Eine chinesische Forschergruppe hat nun mit der nochmals selteneren Fünf-Photonen-Absorption ein weiteres Kunststück vollbracht.

Als Absorptionsmedium wählten die Wissenschaftler um Qingdong Zheng das exotische (E)-3-(4-(2-(1-Hexyl-4-Methyl-1H-Imidazol-5-yl)Vinyl)Pyridinium-1-yl)Propyl-Sulfat, kurz: IPPS. Dieses hatten die Forscher extra für ihr Experiment synthetisiert. Nicht nur schafften sie es, durch die zeitgleiche Absorption von fünf Infrarot-Photonen jeweils ein IPPS-Molekül anzuregen. Die Wissenschaftler regten sogar so viele Moleküle im Medium an, dass sie darin eine Besetzungsinversion erreichten, sich also mehr Moleküle im angeregten als im Grundzustand befanden.

Besetzungsinversion – das lässt an das aktive Medium eines Lasers denken. Und tatsächlich war der finale Clou eine Art Laser, wenn auch ohne Resonator: Die Besetzungsinversion räumten die Forscher durch stimulierte Emission ab. So erzeugten sie Licht mit beinahe fünffacher Frequenz, aus dem eingestrahlten Infrarotlicht von 2100 Nanometern Wellenlänge wurde sichtbares Licht mit 501 Nanometern. Der fehlende Anteil zur exakten Verfünffachung war einem niederenergetischen, strahlungslosen Relaxationsprozess geschuldet. Ebenfalls wie bei einem Laser verließ das blaugrüne Licht die IPPS-Küvette mit einem engen Strahlprofil: Die Divergenz des Strahls betrug lediglich etwa 3,0 Milliradiant und war damit ähnlich groß wie die des anregenden Infrarotlichts. Auch war die spektrale Breite des emittierten Lichts sehr schmal. Dadurch ließ es sich klar unterscheiden von der spektral deutlich breiteren Fluoreszenz der Lösung.

In derselben Lösung gelang den Wissenschaftlern auch stimulierte Emission nach Zwei-, Drei- und Vier-Photonen-Absorption. Bei der Drei-Photonen-Absorption lag die erreichte Energieumwandlung bei 10,4 Prozent. Ihr System sei wegen der fehlenden Autofluoreszenz gut geeignet für Multiphotonen-Abbildungen biologischer Proben, schreiben die Forscher. Der schmale und kaum divergierende Strahl lässt sie auch von möglichen Anwendungen zur medizinischen Diagnose und Therapie träumen – oder sogar zur Datenspeicherung.

Laura Hennemann

OD