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
