Ionen der chemischen Elemente der Seltenen Erden sind prominente und effiziente Photonen-Emitter, die in einer kristallinen Matrix als aktives Medium für die Laserphysik verwendet werden. Wegen der hohen Lebensdauer ihrer angeregten Zustände im Mikro- und Milli-Sekundenbereich dienen sie auch häufig als Medium für Quantenspeicher. Diese Lebensdauer wird maßgeblich durch das lokale Feld bestimmt, das die Ionen umgibt. In makroskopischen Kristallen ist es konstant, sodass es kaum Spielraum zur anwendungsbezogenen Anpassung der Lebensdauer gibt. Diese Situation ändert sich drastisch, wenn die Größe der Kristalle auf wenige Nanometer reduziert wird. Denn dann beeinflusst auch das Feld des Umgebungsmediums das Verhalten der Ionen.
Einem Team von Physikern des Instituts für Quantenoptik der Universität Hannover und Chemikern des Fraunhofer Zentrum für angewandte Nanotechnologie ist es nun erstmalig gelungen, die Größe von Praseodym-dotierten LiYF4 Kristallen auf 10 nm zu reduzieren. Ihre Ergebnisse haben sie nun im Fachjournal Nanoscale Advances veröffentlicht.
Diese Kristalle sind in makroskopischer Form als Lasermedium gut untersucht und zeigen mehrere Emissionslinien im sichtbaren Spektralbereich. Im Vergleich mit dem Spektralverhalten der makroskopischen Kristalle zeigte sich, dass ihre nanoskaligen Gegenstücke eine intensive, zusätzliche Emissionslinie aufweisen. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass dieses Licht aus einem Anregungszustand mit niedriger Energie emittiert wird, das durch Multiphononen-Prozesse effizient bevölkert wird. Diese Prozesse treten vor allem im Randbereich der Nanokristalle auf, weil hier die Energie besonders effizient an das Umgebungsmedium abgegeben wird. Eine Untersuchung der Lebenszeit des so bevölkerten Zustands zeigte, dass die Lebenszeit exponentiell mit der Ionenanzahl sinkt. Bei einer Größe von etwa 10nm und einer mittleren Ionenanzahl von 13 lag die Lebenszeit bei über 100µs. Diese Nanokristalle könnten daher eine interessante Alternative zu bestehenden Quantenspeichersystemen auf Basis von Seltenerd-Ionen sein.
Originalveröffentlichung:
Rajesh Komban, Simon Spelthann, Michael Steinke, Detlev Ristau, Axel Ruehl, Christoph Gimmler, Horst Weller
Bulk-like emission in the visible spectrum of colloidal LiYF4:Pr nanocrystals downsized to 10 nm,
Nanoscale Adv., 2022, 4, 2973-2978
DOI: 10.1039/d2na00045h
