„Wie ein weißer Laserstrahl“

Die Erzeugung von weißem Licht spielt nicht nur für die Raumbeleuchtung, sondern auch für zahlreiche technische Anwendungen eine Rolle. Eine Forschergruppe stellte im Fachmagazin „Science“ ein neuartiges Molekül vor, das Licht eines Infrarotlasers absorbiert und als sichtbares, weißes Licht emittiert. Im Gegensatz zu Glühbirnen oder LED-Lampen ist das Licht dabei fokussiert und eignet sich somit beispielsweise für die hochauflösende Mikroskopie. Welt der Physik sprach mit dem beteiligten Forscher Sangam Chatterjee von der Universität Gießen.

Welt der Physik: Welche Möglichkeiten hat man eigentlich, um weißes Licht zu erzeugen?

Sangam Chatterjee von der Universität Gießen
Sangam Chatterjee von der Universität Gießen

Sangam Chatterjee: Ganz konventionell gibt es natürlich die Glühbirne, die inzwischen weitgehend durch Energiesparlampen ersetzt wurde, die Neonröhren ähnlich sind. Diese werden aber selbst mittlerweile durch weiße LEDs abgelöst. LEDs sind sehr energieeffizient und haben aufgrund ihrer langen Lebensdauer eine sehr starke Verbreitung gefunden.

Wie sieht das Molekül aus, das Sie verwendet haben?

Die Moleküle liegen in Puderform vor. Das ist ganz wichtig, denn wenn sie sich regelmäßig zu einem Kristall anordnen würden, würden wir kein weißes Licht mehr bekommen. Die Moleküle selbst besitzen einen Kern aus Zinn und Schwefel und um diesen herum befinden sich organische Liganden – das sind äußere Kohlenwasserstoffgruppen mit relativ freien Elektronen. Diese Elektronen sind ausschlaggebend dafür, dass die Farbumwandlung funktioniert.

Was passiert im Inneren des Moleküls, wenn es mit einem Infrarotlaser bestrahlt wird?

Wir haben ein relativ einfaches Modell für die Prozesse im Molekül entwickelt. Demnach sind die Elektronen in den Liganden entscheidend. Da diese Elektronen relativ frei beweglich sind, können sie durch das eingestrahlte Laserlicht beschleunigt werden – und eine beschleunigte Ladung strahlt nun wiederum Licht ab. In unserem Fall ergibt die kollektive Antwort vieler einzelner Moleküle das gerichtete Weißlicht. Das Model ist zwar noch nicht das letzte Wort, aber wir denken, dass es an diesen freien Elektronen liegt. Denn wenn wir an den Kern des Moleküls andere Restgruppen anfügen, bei denen die Elektronen nicht mehr so frei sind, funktioniert diese Lichtumwandlung nicht mehr.

Es handelt sich dabei um ein nichtlineares optisches Material. Was bedeutet das?

Nichtlinearität bedeutet, dass sich die Frequenz des eingestrahlten Lichts von der Frequenz des ausgestrahlten Lichts unterscheidet. Es gibt also eine Farbänderung, eine sogenannte Frequenzkonversion. In unserem Fall nehmen wir viele niederenergetische Photonen, die wir auf das Molekül einstrahlen, und erhalten dafür weniger, aber höherenergetische Photonen. Einfach ausgedrückt bekommt man für zwei rote Photonen ein grünes Lichtteilchen. Wir wandeln also eine große Menge niederenergetischer Photonen in eine kleinere Menge höherenergetischer Photonen um, aber die Gesamtenergie bleibt erhalten.

Wenn man das Molekül in Puderform vor sich hat und mit dem unsichtbaren Infrarotlaser bestrahlt, kann man dann sehen, dass es anfängt zu leuchten?

Ja, man sieht tatsächlich, wie das Puder anfängt, abzustrahlen und weiß zu leuchten. Man sieht also einen weißen Punkt. Das ist das Besondere daran: Die Winkeleigenschaften des eng fokussierten Laserlichts bleiben mehr oder weniger erhalten – der weiße Strahl wird nur wenig breiter als der Laserstrahl. Ähnliche Effekte von gebündeltem weißem Licht kann man zwar mithilfe von langen Glasfasern oder sehr teuren, kurz gepulsten Lasern erhalten. Aber dieses Molekül funktioniert eben auch mit einer einfachen Laserdiode für wenige Euro.

In der computergenerierten Grafik ist der Kern des Moleküls aus Zinn und Schwefel farbig gekennzeichnet, die Kohlenstoffverbindungen außen sind in grau und hellblau dargestellt. Das Licht des einfallenden Infrarotlasers ist rot und fällt auf ein bewegtes oranges Elektron, das anschließend weißes Licht abstrahlt, das als ein Band in Regenbogenfarben dargestellt ist.
Das Molekül zur Umwandlung von Infrarotlaserlicht zu weißem Licht

Wo benötigt man – abgesehen von der Raumbeleuchtung – weißes Licht?

Es gibt neben Zimmerlampen und Bildschirmen verschiedenste technische Anwendungen. Weißes Licht wird sehr häufig in der Mikroskopie verwendet oder auch im professionellen Bühnenbereich, wo man sehr stark gerichtetes Licht braucht, um eine Person aus relativ großer Entfernung gezielt zu beleuchten. Das geht weder bei Glühbirnen noch bei LEDs richtig gut, da diese in alle Richtungen abstrahlen. Aber wir können gezielt abstrahlen, man kann sich das wirklich wie einen Laserstrahl vorstellen – nur eben in weiß.

Was sind denn die nächsten Schritte in der Forschung an diesem Molekül?

Neben der Erhöhung der Effizienz ist die Streuung des Lichts noch ein Problem, weil wir eben mit einem Pulver arbeiten. Da es sich um kein kristallisiertes Material handelt, ist der Umgang damit gar nicht so einfach. Zudem soll unser bisher sehr rudimentäres Modell der Prozesse im Inneren des Moleküls verbessert werden. Bis zur Massenproduktion weißer gerichteter Strahler ist es also noch ein weiter Weg.