Mikrokügelchen verdoppeln Lichtfrequenz

Forschenden der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich (ETH) ist es gelungen, mit Mikrokügelchen aus ungeordneten Nanokristallen ein effizientes Material zur breitbandigen Frequenzverdoppelung von Licht herzustellen. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen laut einer Medienmitteilung von neuen Lasertechnologien bis zu neuartigen Bildschirmen. Sie könnten Bilder im Infrarotbereich durch diese Verdoppelung der Frequenz direkt in blaue, sichtbare Bilder umwandeln. Solche Bildschirme könnten in Überwachungskameras oder in den Life Sciences zum Einsatz kommen. 

Dafür wollte das Team um ETH-Professorin Rachel Grange vom Institut für Quantenelektronik zwei scheinbar paradoxe Ansätze miteinander vereinen: Statt Nanokristalle aufwändig für den Lichteinfall auszurichten, setzten sie auf ungeordnete Minikristalle. Und sie wollten die Lichtintensität steigern, indem sie diese ungeordneten Minikristalle zu mikrometergrossen vielfach reflektierenden Kügelchen formten.

„Wir hatten also diese tolle Idee, aber keine Ahnung, wie wir die vielen winzigen Nanokristalle in perfekte Mikrokügelchen verwandeln sollen“, wird Postdoktorand und Studienleiter Romolo Savo in der Mitteilung zitiert. Den entscheidenden Impuls zur Lösung lieferte bei einer Kaffeepause Lucio Isa vom Departement für Materialwissenschaft. Seither arbeitete die Gruppen von Isa und Savo zusammen.

Isa hatte empfohlen, das Nanokristallpulver in Wasser aufzulösen, diese Lösung mit Öl zu mischen und das Ganze kräftig zu schütteln. Dadurch bilden sich Wasser-in-Öl-Tröpfchen mit Nanokristallen in ihrem Inneren. Das Wasser verdunstet nach und nach. Übrig bleiben perfekt geformte Kügelchen aus ungeordneten Nanokristallen. Dieses Rezept für eine Emulsion funktionierte: „Die Frequenzverdoppelung mit den Kügelchen aus ungeordneten Nanokristallen funktioniert sowohl unabhängig von der Einfallsrichtung des Lichts als auch über eine grosse Spanne an Frequenzen“, so Savo.

Zudem hätten die Forscher dieselbe Ausbeute an frequenzverdoppeltem Licht erhalten, bei 70 Prozent weniger Materialeinsatz. Ihre Studie wurde jetzt im Fachblatt „Nature“ veröffentlicht. Nun wollen Grange und ihr Team die Methode weiter verbessern und dadurch Lichtverluste minimieren. mm