Aus Infrarot wird sichtbares Licht: Forscher haben ein kristallines Material erzeugt, das Strahlung auf ungewöhnliche Weise manipuliert. Die Tetraeder-Struktur des Kristalls verdoppelt die Frequenz der Strahlung und kann damit beispielsweise unsichtbare Infrarotstrahlung in sichtbares grünes Licht verwandeln. Zudem lässt sich damit aus sichtbarem Licht energiereiche UV-Strahlung erzeugen, wie die Forscher berichten.
Die Wechselwirkung von kristallinen Materialien mit Strahlung faszinierte schon unsere Vorfahren. Denn letztlich ist sie es, die für das Funkeln und die Farbenpracht vieler Edelsteine sorgt. Heute aber spielen Kristalle vor allem in der Technologie eine wichtige Rolle – ob als zentraler Komponente von Lasern, als Material für brechungsstarke Linsen oder als sogar Metamaterial, das Licht stoppt oder aber seine Phasengeschwindigkeit unendlich groß macht.
Perfekt geordnete Tetraeder-Struktur
Einen weiteren Kristall mit ungewöhnlichen Lichtbrechungseigenschaften haben nun Stephan Jantz von der Universität Augsburg entwickelt. Es gelang ihnen, durch eine spezielle Reaktion der beiden gängigen Chemikalien Boroxid und Zinnfluorid ein neues Fluorooxoborat herzustellen. Diese kristallinen Verbindungen ähneln in ihrer Kristallstruktur den Silikaten, enthalten aber statt Silizium und Sauerstoff die Elemente Fluor, Sauerstoff und Bor.
Der Clou am neuen Fluorooxoborat ist seine außergewöhnliche Kristallstruktur. Denn das Zinnfluorooxoborat, kurz TFB (Sn[B₂O₃F₂]) besteht ausschließlich aus Tetraedern, die zu ebenen Schichten verbunden sind, wobei alle Tetraederspitzen in dieselbe Richtung zeigen. „Diese ausgesprochen ästhetische Kristallstruktur ist sehr ungewöhnlich“, sagt Jantz‘ Kollege Henning Höppe.
Aus Infrarot wird grünes Licht
Das Besondere an dieser Kristallstruktur: Sie besitzt nicht-lineare optische Eigenschaften und kann daher elektromagnetische Strahlung auf ungewöhnliche Weise manipulieren. Wird das Zinnfluorooxoborat beispielsweise mit hoher Intensität angestrahlt, dann verdoppelt dieser Kristall die Frequenz der eingehenden Strahlung. Aus unsichtbarer Infrarotstrahlung wird so sichtbares grünes Licht.
„Unser TFB kann aber noch mehr“, betont Höppe. „Denn mit diesem gezielt herstellbaren Material lässt sich auch hochenergetisches UV-Licht für spezielle optische Anwendungen erzeugen – zum Beispiel für die Fotolithografie in der Halbleitertechnik und damit für ein derzeit weltweit hochaktuelles Arbeitsgebiet.“ (Advanced Optical Materials, 2018; doi: 10.1002/adom.201800497)
(Universität Augsburg, 09.07.2018 – NPO)
