Untere Darstellung: Mit dem neuartigen Bauteil lassen sich bei Raumtemperatur einzelne Photonen (roter Pfeil) erzeugen. Durch die kreisförmigen Kontakte fließt Strom, der die darunterliegenden Farbstoffmoleküle zum Leuchten anregt. Der optisch aktive Bauteilbereich ist rund zwei Millimeter groß.
Physiker von den Universitäten Würzburg, Stuttgart und Ulm haben ein neuartiges Bauelement entwickelt, das dazu in der Lage ist einzelne Photonen auszusenden. Die innovative Lichtquelle hat gleich mehrere Vorteile: Sie besteht aus Standardmaterialien für organische Leuchtdioden, ist relativ einfach herzustellen und lässt sich elektrisch betreiben. Das Wichtigste: Sie funktioniert bei Raumtemperatur. Denn vergleichbare optische Bauelemente aus Halbleitermaterialien, wie etwa aus Galliumarsenid, können bislang nur bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt betrieben werden. Das Wissenschafter-Team hat die neue Lichtquelle im Fachjournal "Nature Communications" vorgestellt.
Winzige Bauelemente, die einzelne Lichtteilchen abgeben können, sind eine Grundvoraussetzung für neue Technologien zur Datenverschlüsselung. Entsprechend ausgestattete Bauteile ermöglichen es, dass sich Daten bei ihrer Übertragung nicht mehr unbemerkt "fischen" lassen. Zum Beispiel könnten dadurch Online-Bezahlsysteme noch sicherer werden - weil eine Manipulation sofort auffiele und schnelle Gegenmaßnahmen möglich wären, erklärt Jens Pflaum vom Physikalischen Institut der Uni Würzburg. Mit herkömmlichen Lichtquellen wie Lasern sei das nicht zu erreichen, denn sie geben stets sehr große Mengen von identischen Lichtteilchen oder Photonen.
Matrix aus organischem Kunststoff
"Im Prinzip ist das neue Bauteil ähnlich konstruiert wie der Pixel eines Displays, das jeder von seinem Handy kennt", erklärt Pflaum: Auf ein Trägermaterial - in diesem Fall ein Glasplättchen - wird eine elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht. Darauf kommt eine Matrix aus organischem Kunststoff, in die einzelne Moleküle eines Farbstoffs eingebettet sind. Auf der Matrix wiederum werden elektrische Kontakte angebracht. Schließt man diese an eine Batterie an, fließt Strom zu den Farbstoffmolekülen und regt diese dazu an, beständig einzelne Lichtteilchen abzufeuern. Das haben die Physiker mit Photonenkorrelationsmessungen nachgewiesen.
Für diesen Fortschritt waren drei Kniffe entscheidend. Nummer eins: "Wir haben die richtigen Farbstoffmoleküle gewählt", sagt Maximilian Nothaft von der Universität Stuttgart. Es handelt sich dabei um chemische Strukturen, bei denen jeweils drei organische Komplexe um ein Iridium-Atom gruppiert sind.
Zweitens haben die Physiker für die richtige Verteilung der Farbstoffmoleküle in der Matrix gesorgt. Lägen die Moleküle zu eng beieinander, würden sie sich gegenseitig beeinflussen und keine einzelnen unabhängigen Photonen abgeben.
Kniff Nummer drei: "Wir haben die Grenzfläche zwischen den elektrischen Kontakten und der Matrix gut gestaltet", erklärt Jörg Wrachtrup von der Universität Stuttgart. Das sei wichtig, damit die erforderlichen Elektronen, die Träger der elektrischen Ladung, überhaupt in die Polymermatrix injiziert werden können. In diesem Fall hatten die Wissenschafter mit einem Kontakt aus einer Doppelschicht Aluminium und Barium Erfolg.
"Gedruckte" Lichtquellen
Als nächstes werden die Physiker versuchen, die Matrix mit den Farbmolekülen und den elektrischen Kontakten auf verschiedene Trägermaterialien aufzubringen, um dadurch auch flexible Unterlagen wie etwa Folien einsetzen zu können. Gelingen dürfte das mit einer Apparatur, die ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker arbeitet und die seit Jahren standardmäßig in den Labors zum Einsatz kommt. Ein Vorteil dabei: Die Lichtquellen könnten noch besser auf einer Oberfläche positioniert werden. (red)