Die meisten Diamanten sind transparent, weil ihr Kristallgitter nahezu alle Anteile des sichtbaren Lichts wieder zurückwirft – sie funkeln nach dem Schliff daher weißlich-farblos. Doch es gibt auch farbige Varianten der begehrten Edelsteine. So schimmert der berühmte Hope-Diamant bläulich, der Dresdener Grüne Diamant erstrahlt in leuchtendem Apfelgrün und der erst 2017 in Lesotho entdeckte gut 700 Karat schwere Friedens-Diamant glänzt gelb.
Farbenspiel durch Fremdatome und Fehlstellen
Diese Farben entstehen, weil das Kohlenstoffgitter dieser Diamanten Fehlstellen oder Fremdatome aufweist, die die optischen Eigenschaften die Edelsteins verändern. Die seltenen grünen Diamanten entstehen durch winzige Defekte und Unregelmäßigkeiten im Kristallgitter. Weil sie primär die nichtgrünen Farbanteile des einfallenden Lichts absorbieren, erscheint das vom Diamanten reflektierte Licht grünlich.
Die berühmten blauen Diamanten verdanken ihre Farbe dagegen den im Kristallgitter eingestreuten Boratomen. Diese absorbieren die gelben, roten und grünen Anteile des Lichts, so dass verstärkt die blauen Wellenanteile des Lichts reflektiert werden. Bei den gelben Diamanten schlucken Stickstoff-Fremdatome die grünen, blauen und violetten Lichtanteile, so dass der gelbliche Farbton zustande kommt. Je höher der Stickstoffgehalt, desto intensiver gelb leuchten diese Diamanten.
Nützliche Fluoreszenz
Einige Diamanten zeigen zudem eine Fluoreszenz: Werden sie mit UV-Licht bestrahlt, regt dies Elektronen im Kristallgitter an, die dann beim Zurückfallen in den Grundzustand ein bläuliches Licht abgeben. Dadurch können einige gelbe Diamanten bei Kunstlicht gelb, im Sonnenlicht aber grünlich schimmern.
Während diese Fähigkeit zur Fluoreszenz im Edelsteingeschäft eher zur Abwertung eines Steins führen kann, macht sie diese Diamanten in Bereichen wie der Optik oder Medizintechnik zu besonders begehrten Helfern. So könnten sich Nanodiamanten mit Stickstoff-Fremdatomen beispielsweise als Fluoreszenzmarker bei bildgebenden Verfahren und als Kontrastmittel bei der Magnetresonanztomografie (MRT) eignen.
Experimente mit Mäusen haben bereits belegt, dass die chemisch inerten und ungiftigen Nanodiamenten biologisch gut verträglich sind, aber die Auflösung und Qualität von MRT-Aufnahmen deutlich erhöhen können. Weil die weniger als einen Millionstel Meter kleinen Diamantpartikel selbst die Blut-Hirn-Schranke überwinden können ohne Schaden anzurichten, könnte man sie beispielsweise einsetzen, um Wirkstoffe zu Gehirntumoren zu transportieren oder sie besser sichtbar zu machen. Erste Tests dazu führen unter anderem Wissenschaftler um Jana Hedrich vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz durch.
Das Phänomen der Superradianz
Doch der Diamant kann in optischer Hinsicht noch mehr, wie Wissenschaftler im Jahr 2018 entdeckt haben. Für ihr Experiment hatten sie untersucht, wie sich Diamanten verhalten, bei denen gezielt viele eng beieinander liegende Stickstoff-Fehlstellen ins Kristallgitter eingebaut wurden. Diese Fehlstellen bestehen aus einem Stickstoffatom, neben dem eine Stelle im Kohlenstoffgitter frei bleibt. Wird einem Diamanten mit solchen Fehlstellen durch Strahlung Energie zugeführt, regt dies Elektronen an diesen Fehlstellen an und bringt sie in einen höheren Quantenzustand.
„Kehrt das Atom dann zu einem Zustand niedrigerer Energie zurück, wird die Energie in Form eines Photons wieder abgegeben. Das geschieht normalerweise rein zufällig, zu einem völlig unvorhersehbaren Zeitpunkt“, erklärt Johannes Majer von der TU Wien. Doch als er und sein Team ihre Testdiamanten mit Mikrowellen bestrahlten, geschah zunächst gar nichts. Dann jedoch passierte Erstaunliches: „Rund 300 Nanosekunden nachdem wir die Mikrowellen-Anregung abgeschaltet hatten, beobachteten wir einen Blitz von Photonen, der aus dem Diamantzentrum herausschoss“, so die Physiker.
Stimulierte Emission im Kristallgitter
Was war passiert? Wie die Forscher erklären, steckt dahinter das schon lange theoretisch vorhergesagte Phänomen der Superradianz. Dabei kommt es im Kristallgitter zu einer Kettenreaktion, bei der ein einziges von einem Atom abgegebenes Photon alle anderen angeregten Atome in der Nachbarschaft ebenfalls zur Abgabe von Photonen bringt. Innerhalb weniger Nanosekunden entsteht so ein kurzer, intensiver Lichtblitz. Im Prinzip funktioniert diese Superradianz damit ähnlich wie die stimulierte Emission eines Lasers. Während beim Laser aber permanent Photonen nachproduziert werden müssen, reicht bei der Superradianz ein einziges Photon aus, um den Lichtblitz auszulösen.
Mit der Beobachtung der Superradianz im Diamanten haben Majer und sein Team nun diesen physikalischen Effekt erstmals in einem Feststoff nachgewiesen. Dies könnte künftig auch ganz praktische Anwendung finden. „Superradianz spielt in der Optik eine prominente Rolle, wo sie beispielsweise die Entwicklung von neuen Lasern mit superdünnen Strahldicken ermöglicht“, so die Forscher. „Unsere Arbeit liefert nun die Grundlange für zukünftige Quantentechnologien, darunter auch superradiante Feststofflaser.“
