Lichtstrahlen beim Erlöschen zusehen

Ein Team der Friedrich-Schiller-Universität Jena hat eine neue Kamera, die ultraschnelle Prozesse zeitaufgelöst misst, an der Röntgen-Nanosonde „ID16B“ des europäischen Synchrotrons ESRF in Grenoble (Frankreich) installiert. Mit ihr konnte nun erstmals gemessen werden, wie das Licht eines Leuchtzentrums in einem Nanodraht nach dessen Anregung durch einen Röntgenpuls abklingt. Diese Grundlagenforschung eröffnet Potenziale, Nanodrähte mit Leuchtzentren als Wellenleiter in der Quantenkommunikation einzusetzen. Die ersten Ergebnisse haben die Forschenden jetzt in der Fachzeitschrift „Advanced Science“ veröffentlicht.

Eine Möglichkeit, die Effizienz der Quantentechnologie zu verbessern, ist es, die Bauteile kleiner zu machen als bisher. Daher hat die Forschung an sog. Leuchtzentren in Halbleitern für Quantentechnologien enorm an Bedeutung gewonnen. Solche Systeme können sowohl als kleinste Rechen- und Informationseinheit eines Quantencomputers (Qubit) genutzt werden als auch als Einzelphotonenquelle. Bestehen diese Systeme aus Nanostrukturen, ist eine Kopplung zu optischen Schaltkreisen auf einem Chip denkbar, um damit auch Quantenkommunikation auf kleinstem Maßstab zu realisieren.

Ein winziges lichtleitendes System aus Halbleiternanodrähten, das auch in der Quantenkommunikation eingesetzt werden könnte, haben Forscher der Friedrich-Schiller-Universität Jena mit einem Ionenbeschleuniger modifiziert. Diese Drähte wurden so verändert, dass sie Fremdatome als Leuchtzentren enthalten. In Grenoble konnte nun erstmals gemessen werden, wie das Schimmern von nur 10.000 Leuchtzentren abklingt, nachdem die Nanodrähte mit einem Röntgenpuls angeregt worden sind.

Neuer Zerfallsmechanismus mit einer schnelleren Abklingzeit

Die Messungen des Teams belegen, dass ein neuer Zerfallsmechanismus mit einer schnelleren Abklingzeit gefunden wurde. „Wir haben der optischen Lumineszenzdetektion eine weitere Dimension hinzugefügt: die Zeit“, betont Christian Plass, Doktorand an der Universität Jena und Erstautor der aktuellen Veröffentlichung. Im Wesentlichen regen die Forschenden das System mit einem Puls des neuen ESRF-Hochleistungs-Synchrotrons an, das Material sendet Licht aus und sie können verfolgen, wie das Licht mit der Zeit abklingt und welche Farbe es zu einem bestimmten Zeitpunkt hat, indem sie die durch Nanoröntgenstrahlen angeregte optische Lumineszenz nutzen.

Kooperation machte Forschungserfolg erst möglich

Möglich wurden die Ergebnisse aufgrund der Kombination des intensiven Synchrotronstrahls des ESRF, des Einsatzes des Strahlrohrs ID16B und der neuen sog. Streak-Kamera, die das Team der Friedrich-Schiller-Universität dort im Jahr 2021 installiert hat. Die Kamera, deren Implementierung vom Bundesforschungsministerium (BMBF) finanziert wurde, ergänzt den bestehenden Aufbau der optischen Lumineszenzdetektion. „Der Erfolg dieses Projekts ist der äußerst reibungslosen Zusammenarbeit zwischen den Teams zu verdanken, und zwar nicht nur zwischen den Wissenschaftlern, sondern auch zwischen den Softwareentwicklern bei der ESRF“, fügt der leitende Jenaer Forscher und Ko-Autor Prof. Dr. Carsten Ronning hinzu. Denn damit die Kamera überhaupt in diesem Versuchsaufbau funktionierte, musste eine äußerst komplexe Software entwickelt werden.

„Die Ergebnisse dieser ersten Studie sind zwar zunächst vor allem von grundlegender Bedeutung, könnten aber zu weiteren Studien über künftige Anwendungen in der Quantenkommunikation führen – zum Beispiel über die Verwendung von Nanodrähten als Wellenleiter für Licht, wie dies heute bei Glasfasern der Fall ist“, nennt Prof. Ronning weitere Forschungsansätze.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Carsten Ronning
Institut für Festkörperphysik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Helmholtzweg 3, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947300
E-Mail: carsten.ronning@uni-jena.de

Originalpublikation:

Christian T. Plass, Valentina Bonino, Maurizio Ritzer, Lukas R. Jäger, Vicente Rey-Bakaikoa, Martin Hafermann, Jaime Segura-Ruiz, Gema Martínez-Criado, Carsten Ronning: Spatially Resolved Dynamics of Cobalt Color Centers in ZnO Nanowires, Advanced Science 2205304 (2022), DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202205304

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