Verbotenes Licht aus atomaren Schichten

Die Lichtfarbe von Leuchtdioden hängt direkt mit den verwendeten Substanzen und den für Elektronen möglichen Übergängen zusammen. Denn nach den klassischen Regeln der Physik sind nur bestimmte Übergänge und damit Lichtfarben erlaubt, alle anderen dagegen verboten. Doch mit atomar dünnen Schichten könnten diese Verbote umgangen werden. Zu diesem Ergebnis kommen Physiker mit einer neuen Theorie, die den Einfluss von Ladungswellen an der Oberfläche der dünnen Schichten berücksichtigte. Wie sie in der Fachzeitschrift „Science“ berichten, eröffnen sich damit viele Möglichkeiten, um neue Lichtquellen, Sensorsysteme und sogar Module für quantenmechanisch gekoppelte Lichtteilchen für eine Quantenverschlüsselung von Daten zu entwickeln.

Zusammengesetztes Bild, auf dem links Kugeln, die durch Linien verbunden sind, eine zweidimensionale Struktur zeigen und rechts längliche Balken mit Streifen elektronische Übergänge illustrieren.
Verbotenes Licht

„Wir konnten einen Weg aufzeigen, wie sich die Lichtemission von Materialien auf konventionell verbotene Bereiche erweitern ließe“, sagt Nick Rivera vom Massachusetts Institute of Technology im US-amerikanischen Cambridge. Zu diesen verbotenen, oder besser extrem stark unterdrückten Emissionseffekten zählen sogenannte multipolare Prozesse oder die gleichzeitige Aussendung von zwei Lichtteilchen, Photonen, nach dem Energiesprung eines einzigen Elektrons. Aber Experimente mit atomar dünnen Materialien konnten schon zeigen, dass diese klassisch verbotene Lichtemission in der Praxis nicht völlig unmöglich sind.

Mit seinen Kollegen betrachtete Rivera die Rolle dieser dünnen, zweidimensional genannten Schichten in einem theoretischen Modell genauer. Für ihre Berechnungen zogen sie das noch relativ neue Kohlenstoffmaterial Graphen heran, in dem sich alle Atome in einer einzigen Schicht anordnen. Wurde nun ein Atom in die Nähe dieser Schichten gebracht, bildeten sich nach einer Anregung der Elektronen kohärente Ladungswellen auf dem Graphen aus, sogenannte Plasmonen. Diese wirkten quasi als Vermittler, um konventionell verbotene elektronische Übergänge in dem angeregten Atom zu ermöglichen. Die Folge: Das Atom konnte Lichtteilchen aussenden, zu denen es vorher nicht in der Lage gewesen wäre.

Obwohl es sich um eine rein theoretische Arbeit handelt, könnte sie großen Einfluss auf zukünftige Experimente haben. Denn atomar dünne Schichten lassen sich nicht nur aus Kohlenstoff, sondern auch aus Metallen wie Silber oder Beryllium herstellen. Gelingt es, den Einfluss der Plasmonen in diesen Schichten kontrolliert mit einzelnen Atomen in der Nähe experimentell in Verbindung zu bringen, locken viele neuartige Lichtquellen. So könnten Leuchtdioden mit völlig neuen Lichtfarben oder auch neue lichtbasierte Sensortechniken entwickelt werden. Für Quantenphysiker wären besonders Lichtquellen interessant, die zeitgleich zwei miteinander verschränkte Photonen aussendeten. Denn diese bilden wegen ihrer quantenmechanischen Kopplung die Grundlage für die quantenkryptografische Verschlüsselung von Daten.