09.11.2018

Superfluoreszenz in Übergittern

Strukturierte Quantenpunkte zeigen eine extrem schnelle, korrelierte Lichtemission.

Quantenpunkte können Licht in sehr genau definierten Farben emittieren. Durch Veränderung der Partikel­größe lässt sich die Farbe gezielt verändern. Diese Nano­partikel werden beispielsweise in der neuesten Generation von LCD-Fern­sehern eingesetzt, um brillan­tere Farben zu erzielen. Maksym Kovalenko und sein Team an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich arbeiten an der nächsten Generation von Quanten­punkten aus halbleitenden Perowskiten und ordnen diese zu dreidimen­sionalen Übergittern aus nahezu identischen Quanten­punkten an. Sie haben nun eine neue Eigenschaft solcher Übergitter demonstriert: die Emission von super­fluoreszierendem Licht. Dadurch können diese Übergitter als Quantenlicht­quellen für zukünftige Quanten­anwendungen genutzt werden.

Abb.: Die Bildung von Übergittern aus einer monodispersen Lösung von Perowskit-Nanokristallen während der Verdunstung des Lösungsmittels. (Bild:J. Schnabl)

In der Gruppe von Kovalenko wurden in den letzten Jahren Perowskit-Quanten­punkte aus Caesium-Blei­halogenid und ihre opto­elektrischen Eigen­schaften eingehend untersucht. Das Forscherteam konnte bereits zeigen, dass einzelne Perowskit-Nanokristalle schnell extrem helles Licht abgeben können. Dieser Prozess läuft schneller ab als bei jeder anderen Art von Quantenpunkten. Diese Eigenschaft macht Perowskite sehr interessant für den Einsatz in der optischen Daten­kommunikation, etwa in Supercomputer­netzwerken.

Jetzt haben Forscher der ETHZ und des Zentrums für Material­forschung Empa in Zusammenarbeit mit Kollegen von IBM Research noch eine weitere interessante Eigen­schaft dieser Nano­kristalle entdeckt: Im Gegensatz zu einem zufälligen Ensemble von fluores­zierenden Quanten­punkten, die mit einiger Verzögerung unkorre­lierte Photonen emittieren, können Übergitter der gleichen Quantenpunkte Stöße von korrelierten Photonen fast sofort emittieren, sie sind superfluores­zierend. Einmal angeregt, synchro­nisieren sich alle Dipole im Übergitter vor der Rückkehr in den Grundzustand und emittieren so alle Photonen gleichzeitig in einem Paket nur wenige Picosekunden nach der Anregung. Eine so schnelle Licht­emission durch Quanten­punkte wurde noch nie zuvor beobachtet. Diese neu entdeckten Übergitter sind daher als Quantenlicht­quellen besonders interessant und könnten in der Quanten­kommunikation oder in Quanten­sensoren genutzt werden.

Für die Herstellung der Übergitter verwenden die Forscher eine Dispersion von kubischen CsPbX3-Perowskit-Nano­kristallen, die fast alle die exakte Kanten­länge von 9,5 Nanometern aufweisen. Wenn das Lösungs­mittel langsam verdunstet, bilden sich spontan würfel­förmige Übergitter, die jeweils aus bis zu mehreren Millionen Nano­würfeln bestehen. Die fluores­zierenden Supergitter sind unter dem Mikroskop sichtbar und haben eine Kanten­länge von bis zu zwanzig Mikrometern. „Solche weiträumig geordneten Über­gitter konnten nur aus einer hochmono­dispersen Lösung von Quanten­punkten gewonnen werden, deren Synthese in den letzten Jahren sorg­fältig optimiert wurde“, sagt Maryna Bodnarchuk von der Empa in Dübendorf.

„Die Möglichkeit, so einfach hoch­korrelierte Photonen zu erzeugen, eröffnet neue und spannende Möglichkeiten für die Grundlagen­forschung und zukünftige Entwicklungen in der Quanten­technologie. Diese neu entdeckten Quantenlicht­quellen könnten für Quanten­computer, quanten­verschlüsselte Kommunikation oder Quanten­sensoren mit bisher unerreichter Genauig­keit sehr wichtig werden“, sagt Gabriele Rainò, leitender Wissen­schaftler in der Kovalenko-Gruppe.

ETHZ / JOL

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