Forscher lösen Rätsel um mysteriöses Quantenphänomen

7. November 2015, 10:26
4 Postings

Internationales Team beobachtet erstmals sogenannte Singulett-Spaltung in Echtzeit

Ein internationales Wissenschafterteam hat ein Phänomen beobachtet, das die Entwicklung hoch-effizienter Solarzellen ein gutes Stück voranbringen könnte. Den Forschern ist es erstmals gelungen, die sogenannte Singulett-Spaltung in Echtzeit zu beobachten und dabei offen Frage zu beantworten.

Trifft ein Lichtteilchen auf ein Molekül und wird dort absorbiert, dann hebt es in diesem Molekül ein Elektron auf ein höheres Energieniveau. Dieser Zustand höherer Energie wird in der Fachsprache als "Singulett-Exziton" bezeichnet. Auf dem Weg zurück in seinen ursprünglichen, niedrigeren Energiezustand kann das Elektron über einen äußeren Stromkreis abgeführt werden – es entsteht elektrischer Strom. In einigen wenigen Fällen ist es sogar möglich, dass ein Molekül seine überschüssige Energie benutzt, um ein zweites Molekül in einen angeregten Zustand zu versetzen. Diese Zustände bezeichnet man als "Triplett-Exzitonen" und sind für die Solartechnik hochinteressant.

Verschränkter Zwischenzustand

Da die Singulett-Spaltung in Femtosekunden (= eine Billiardstel Sekunde) abläuft, ist sie jedoch sehr schwer zu beobachten – und folglich schwer zu kontrollieren. Das internationale Forschungsteam ist letzterem nun näher gekommen, indem es herausgefunden hat, was genau bei diesem Phänomen vor sich geht: Sie bestrahlten Pentacen-Moleküle mit ultrakurzen Femtosekunden-Laserimpulsen, um zu sehen, ob sich einzelne Photonen in zwei energetisch angeregte Elektronen umwandeln können. Das Ergebnis: Die "zwei für eins"-Umwandlung beinhaltet einen Zwischenzustand, in dem die beiden Triplett-Exzitonen ineinander verschränkt sind.

"Das Hauptproblem bei der Echtzeit-Beobachtung der Singulett-Spaltung ist, dass die verknüpften Triplett-Exzitonen für fast alle optischen Abtastungen 'dunkel' sind", sagt Dassia Egorova von der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU). "Das heißt, dass sie nicht direkt durch Licht erzeugt oder vernichtet werden können und somit nicht nachweisbar sind."

Um das zu umgehen, haben die Forscher aus Cambridge und Amsterdam das sogenannte zwei-dimensionale Photonen-Echo Signal in einem weltweit führenden Labor in Lund gemessen. Angeführt von Egorovas Kieler Team konnten sie anschließend ein erklärendes Modell entwickeln. Es beweist, dass wenn Pentacen-Moleküle von Laserimpulsen zur Vibration angeregt werden, sich ihre Form verändert. Das führt dazu, dass das verschränkte Triplett-Paar kurzzeitig in der Lage ist, Licht zu absorbieren und damit nachweisbar wird.

Schrödingers Katze

"Das Modell erklärt, dass die Moleküle durch das Vibrieren neue Quantenzustände besitzen, die gleichzeitig die Eigenschaften sowohl des lichtabsorbierenden Singulett-Exzitons, als auch die des 'dunklen' Triplett-Paars haben", sagt Egorova. Zwei entgegengesetzte Zustände also, die in der Quantentheorie als "Superpositionen" beschrieben werden. Bekannt sind diese seit Erwin Schrödingers Gedankenexperimenten aus den 1930er Jahren, nach denen eine Katze in einer Kiste mit den Regeln der Quantentheorie gleichzeitig lebendig und tot ist.

Die Studie aus Cambridge, Lund, Kiel und Amsterdam könnte jetzt dazu führen, die Singlett-Spaltung kontrollierbar zu machen. Neuartige, hoch-effiziente Solarzellen könnten dann doppelt so viel Strom aus einfallendem Licht erzeugen. (red, 7.11.2015)

Share if you care.