Sie wollen möglichst kein Photon verpassen: Uta Schlickum und ihre Arbeitsgruppe an der TU Braunschweig haben daher einen einzigartigen Mikroskopaufbau im Forschungszentrum LENA realisiert. Jetzt konnten sie demonstrieren, zehnmal mehr Licht einzufangen als jede andere Gruppe auf der Welt. Damit eröffnen sich den Forschenden neue Wege, winzige Lichtquellen zu erforschen, die einzelne Lichtteilchen erzeugen und als Bausteine für zukünftige Quantentechnologien gelten.
Die Forschenden des Instituts für Angewandte Physik nehmen vor allem optische Prozesse in einzelnen Molekülen ins Visier. Sie möchten verstehen, welche Vorgänge im Inneren eines Moleküls ablaufen, wenn es nach der Aufnahme von Energie innerhalb von Nanosekunden Licht aussendet. So gewinnen sie Einblicke in die Prozesse der Lichtentstehung auf molekularer Ebene.
Schlickum: „Wir betreiben in erster Linie Grundlagenforschung im Bereich organischer Einzelphotonenemitter. Je besser wir diese verstehen, desto präziser können wir in der Metrologie bestimmte Detektoren kalibrieren oder etwa Datenübertragung zwischen Quantencomputern optimieren. Diese Themen erforschen wir aktuell mit Partnern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt und der Leibniz Universität Hannover im Exzellenzcluster QuantumFrontiers.“
Während eine Zimmerlampe im Sekundentakt Trillionen Photonen versprüht, senden die einzelnen Moleküle nur wenige tausend Lichtteilchen aus. Zum Vergleich: Wenn statt Photonen Sandkörner fliegen würden, käme pro Sekunde aus dem Molekül etwa ein Milliliter, also nicht einmal ein Teelöffel. Aus einer Zimmerlampe käme jedoch genug Sand, um das Eintracht-Braunschweig-Stadion jede Sekunde etwa dreihundertmal bis unter das Dach aufzufüllen. Umso wichtiger für die Forschenden, von einem Molekül möglichst keines der Photonen zu verpassen.
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Für den optimalen Lichteinfang kombinierte das Team ein Rastertunnelmikroskop mit einem Parabolspiegel. „Das erzeugte Licht mit einem Parabolspiegel zu bündeln, war bisher vor allem eine theoretisch gute Idee. In der Praxis reagiert der Spiegel empfindlich auf kleinste Abweichungen in der Justage. Mit einer Kombination aus größerem Spiegel und hochgenauen Positionierern konnten wir aber ein Setup realisieren, das zehnmal mehr Licht detektiert als bisherige Anlagen“, sagt Yannis Hilgers.
Nachdem erste Tests die außergewöhnliche Leistungsfähigkeit der neuen Anlage eindrucksvoll belegt haben, startet die Arbeitsgruppe nun ein weiteres zukunftsweisendes Projekt: Organische Einzelphotonenemitter, also winzige Lichtquellen, die einzelne Lichtteilchen gezielt erzeugen, sollen gezielt in maßgeschneiderte molekulare Umgebungen integriert werden, um ihre optischen Eigenschaften unter Umgebungsbedingungen nachhaltig zu stabilisieren.
„Bisher werden gute Einzelphotonenemitter bei tiefsten Temperaturen im Vakuum untersucht. Wir sind daher auf der Suche nach praxistauglicheren organischen Materialien, die später auch bei Raumtemperatur und an Luft stabil sind“, sagt Andreas Reutter.
Durch die kontrollierte Einbettung in geeignete Trägermaterialien, die die chemische Funktionalität der Emitter unverändert lassen, sollen langzeitstabile Einzelphotonenquellen entstehen. Diese neuen organischen Einzelphotonenemitter, die unter alltäglichen Bedingungen funktionieren, bilden eine zentrale Grundlage für präzise metrologische Anwendungen, neuartige quantenoptische Experimente und perspektivisch auch für die Realisierung integrierter quantenphotonischer Bauelemente. [TUBS / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
A. Reutter, Y. Hilgers, M. Stummvoll, et al., New luminescence scanning tunneling microscope with high detection efficiency, Rev. Sci. Instrum. 97, 033702 (2026); DOI: 10.1063/5.0305560 - Nanoskopische Systeme (AG Uta Schlickum), Institut für Angewandte Physik, Fakultät für Elektrotechnik – Informationstechnik – Physik, TU Braunschweig
Anbieter
Technische Universität BraunschweigUniversitätsplatz 2
38106 Braunschweig
Deutschland
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