Kondensiertes Licht

Nicht nur Laser können einfarbiges Licht in einem schmalen Wellenlängenbereich aussenden. Das zeigte nun eine Forschergruppe in Saudi-Arabien, die eine neuartige Lichtquelle entwickelte, mit der sich ebenfalls monochromatisches Licht erzeugen ließ. Wie die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ berichten, bestand ihre Lichtquelle aus einer dünnen Schicht, in der sie fluoreszierende Farbstoffmoleküle und Licht verschluckende Nanoteilchen kombinierten. Verantwortlich machten sie einen exotischen Effekt, den sie als Lichtkondensation beschrieben. Dieses Grundlagenexperiment könnte zu effizienteren Solarzellen und neuen photonischen Modulen führen.

Neuartige Lichtquelle im Labor

„Dieses nanostrukturierte Schwarzkörpermaterial eröffnet eine Reihe von neuen Anwendungen von neuartigen Lichtquellen bis hin zu einer effizienteren Stromerzeugung mit Sonnenlicht“, sagt Andrea Fratalocchi von der King Abdullah University of Science and Technology in Thuwal. Zusammen mit seinen Kollegen züchtete er zuerst in einem nasschemischen Verfahren winzige Nanopartikel aus Gold. Diese Nanoteilchen konnten dank ihrer ungewöhnlichen Struktur aus einem winzigen stabförmigen Kristall und einer Nanokugel sichtbares und infrarotes Licht sehr effizient absorbieren. Verteilt in einer etwa zehn Mikrometer dünnen, tiefschwarzen Schicht erreichten die Forscher eine Absorptionsrate von über 98 Prozent.

Zusätzlich mischten Fratalocchi und Kollegen nun fluoreszierende Farbstoffmoleküle (Rhodamin B) in diese Schicht. Angeregt mit kurzen, grünen Laserpulsen sendeten sie ein Fluoreszenzlicht über einen breiten Bereich von 590 bis etwa 650 Nanometer Wellenlänge aus, das nach vielfacher Streuung an den Farbstoffmolekülen auch von den Nanoteilchen aus Gold teilweise absorbiert wurde. Doch mit steigender Leistung des Lasers änderte sich dieses Emissionsverhalten deutlich. Bei über 450 Milliwatt Laserleistung ließ sich nur noch eine Lichtemission bei 590 Nanometer Wellenlänge mit einer sehr geringen spektralen Breite von etwa fünf Nanometern beobachten.

Verantwortlich für diesen Effekt machten die Forscher eine Art Lichtkondensation. Die mit steigender Laserleistung zunehmende Energie in der dünnen Schicht wurde nur noch partiell von den absorbierenden Nanoteilchen verschluckt. Dafür wurde bevorzugt das Fluoreszenzlicht mit der kürzesten Wellenlänge und damit höchster Energie ausgesendet. Mit theoretischen Modellen konnten die Forscher eine Übertragung der Energie des langwelligen Lichts auf die kürzest mögliche Wellenlänge bestätigen.

Mit diesem Experiment zeigten die Forscher, dass auch ohne herkömmliche Laserprozesse die Emission von einfarbigem Licht möglich ist. Allerdings benötigte dieser Prozess einer Lichtkondensation selbst noch die Anregung durch einen Laser. Doch mit anderen Kombinationen aus fluoreszierenden Farbstoffmolekülen und lichtabsorbierenden Nanoteilchen könnten diese lichtaktiven Schichten an andere Anwendungen angepasst werden. Vorstellbar ist eine Kondensationsschicht, die das gesamte Lichtspektrum der Sonne auf einen kleinen Wellenlängenbereich konzentriert, um die Stromausbeute von Solarzellen zu steigern.