Quantenlicht aus Übergittern

Superfluoreszenz aus Perowskit-Quantenpunkt-Übergittern

In der Gruppe von Prof. Kovalenko wurden in den letzten Jahren Perowskit-QPs und ihre optoelektrischen Eigenschaften eingehend untersucht. Diese Art von QP besteht aus Cäsium-Bleihalogenid (CsPbX₃, X = Cl, Br, I). In einem Anfang dieses Jahres in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Artikel konnte das internationale Forscherteam zeigen, dass einzelne Perowskit-Nanokristalle schnell extrem helles Licht abgeben können - ein Prozess, der schneller abläuft als bei jeder anderen Art von QP. Diese Eigenschaft macht Perowskit-QPs sehr interessant für den Einsatz in der optischen Datenkommunikation, z.B. in Supercomputernetzwerken, wo jede Nanosekunde zählt. Jetzt haben Forschende der ETH und der Empa (M. Bodnarchuk, G. Rainò, M.V. Kovalenko) in Zusammenarbeit mit Kollegen von IBM Research – Zürich (M. A. Becker, T. Stöferle, R.F. Mahrt) noch eine weitere interessante Eigenschaft dieser Nanokristalle entdeckt: Im Gegensatz zu einem zufälligen Ensemble von fluoreszierenden QPs, die mit einiger Verzögerung unkorrelierte Photonen emittieren, können Übergitter der gleichen QPs Stösse von korrelierten Photonen fast sofort emittieren, d.h. 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 QPs wurde noch nie zuvor beobachtet. Diese neu entdeckten Übergitter sind daher als Quantenlichtquellen besonders interessant, z.B. in der Quantenkommunikation oder in Quantensensoranwendungen.

Perowskit-Quantenpunkte und ihre Anordnung in superfluoreszierenden Übergittern

Für die Herstellung der Übergitter verwenden die Forscher eine Dispersion von kubischen CsPbX₃-Perowskit-Nanokristallen, die fast alle die exakte Kantenlänge von 9,5 nm 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 20 µm. "Solche weiträumig geordneten Übergitter konnten nur aus einer hochmonodispersen Lösung von QDs gewonnen werden, deren Synthese in den letzten Jahren sorgfältig optimiert wurde", sagt Dr. Maryna Bodnarchuk, Senior Scientist an der Empa Dübendorf. Sie stellt die QPs her.

Ein Durchbruch für Quantenanwendungen

"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 Dr. Gabriele Rainò, leitender Wissenschaftler in der Gruppe von Prof. Kovalenko.

externe Seite Pressemitteilung Empa