Optimierung von Dunkelzustaenden fuer die Energiespeicherung

Der zunehmende weltweite Ressourcenbedarf lässt Wissenschaftler an der vermehrten Ausnutzung erneuerbarer Energien arbeiten. Eine große Herausforderung in diesem Zusammenhang ist die Verbesserung der Effizienz von Solarzellen. In der Natur läuft das Einfangen und die Umwandlung von Licht in nutzbare Energieformen seit Millionen von Jahren mit der sehr hoher Effizienz: die Photosynthese. Durch diesen Prozess gewinnen Pflanzen, Algen und Bakterien Solarenergie, speichern sie als chemische Energie und ermöglichen erst so das Leben auf unserem Planeten. In den ersten Stufen der Photosynthese wird das Sonnenlicht von ringförmigen Chlorophyll Molekülen (LH2) eingefangen. Die Energie wird dann über andere Moleküle zu Reaktionszentren weitertransportiert, wo sie für weitere chemische Reaktionen gespeichert wird. Einfang- und Transportprozess sind nahezu zu 100 % effizient, was Physiker und Chemiker seit Jahrzehnten fasziniert. Aus physikalischer Perspektive ist das LH2 Molekül einfach ein Ring aus elektrischen Dipolen, deren Wechselwirkungen von den Abständen und relativen Orientierungen abhängen. Für Abstände kleiner als die optische Wellenlänge bewirken die Wechselwirkungen gemeinsame Zustände bei welchen die Strahlungseigenschaften unterdrückt sind, bzw. verlängerte Lebensdauern vorherrschen. Diese werden auch als Dunkelzustände bezeichnet. Intuitiverweise kann man also schließen, dass die Nature solche Dunkelzustände optimiert hat um die Solarenergie effizient für längere Zeit einzufangen bevor diese an das Reaktionszentrum weitergeleitet wird. Ultrakurzer Laserpulse haben Energietransportstudien an LH2 mit einer Zeitauflösung weniger Femtosekunden ermöglicht, was jedoch wegen der der begrenzten Photostabilität und der niedrigen Effizienz sehr schwierig war. In diesem Projekt möchte eine Gruppe von Physikern unter der Leitung von Dr. Vikas Remesh zusammen mit ForscherInnen aus Kanada eine Art Analogsystem auf der Basis von Quantenpunkten in Nanodrähten aufbauen um die kollektiven Strahlungseffekte von LH2 zu untersuchen. Quantenpunkte sind Halbleiternanokristalle, die häufig als künstliche Atome bezeichnet werden, weil sie diskrete Energieniveaus aufweisen, welche durch in der Fabrikation genau eingestellt werden können. Im Gegensatz zu LH2 sind Quantenpunkte sehr hell und extrem stabil und können in beliebigen Anordnungen mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Mit ihrer Hilfe haben wir die Möglichkeit das natürliche Lichteinfang- und Speichersystem zu entschlüsseln, das in der Natur von der Evolution optimiert wurde. Nach der Herstellung der Quantenpunkt-Ringstrukturen planen die ForscherInnen ein Mikroskop mit einem Ultrakurzpulslaser und sehr empfindlichen Detektoren aufzubauen um die Eigenschaften des Energietransports durch die Dunkelzustände zu untersuchen. Sind die Dunkelzustände das Geheimnis hinter dem hocheffizienten Energietransportmechanismus in der natürlichen Photosynthese? Es gibt nur einen Weg das herauszufinden!

Der wachsende Energiebedarf der Welt hat die Wissenschaftler dazu veranlasst, verstärkt auf nachhaltige Ressourcen wie die Solarenergie zurückzugreifen. Eine große Herausforderung in dieser Richtung war bisher die Verbesserung des Wirkungsgrads von Solarzellengeräten. Seit Millionen von Jahren führt die Natur den effizientesten uns bekannten Prozess der Energiegewinnung und -übertragung durch: die Photosynthese. Durch diesen Prozess wird das Leben auf diesem Planeten aufrechterhalten. In den ersten Schritten der Photosynthese wird das Sonnenlicht von einem kollektiven molekularen System eingefangen, bevor es für nachfolgende chemische Reaktionen gespeichert wird. Dieser Energietransport- und -einfangprozess hat einen Wirkungsgrad von nahezu 100 %, was in den letzten Jahrzehnten sowohl bei Physikern als auch bei Chemikern große Neugierde hervorgerufen hat. Man geht davon aus, dass bei kleinen Abständen zwischen den Emittern eine starke Wechselwirkung zwischen ihnen möglich ist und sich kollektive Zustände mit unterdrückten Strahlungseigenschaften entwickeln können. Man nimmt an, dass diese Zustände der Grund für den effizienten Energieeinfang in den natürlichen Lichtsammelsystemen sind. Trotz zahlreicher theoretischer Arbeiten auf diesem Gebiet fehlen jedoch noch detaillierte experimentelle Untersuchungen, was unser Verständnis und vielleicht auch die Bemühungen um die Entwicklung künstlicher Lichtsammelsysteme einschränkt. In diesem Projekt wollten wir ein Simulatorsystem mit Quantenpunkten schaffen, um die kollektiven Strahlungseffekte in Lichtsammelkomplexen zu untersuchen. Quantenpunkte sind Halbleiter-Nanokristalle mit diskreten Energieniveaus, die durch Wachstumsmethoden und Abstimmknöpfe nach dem Wachsen eingestellt werden können. Sie sind helle und photostabile Systeme und wurden in der jüngeren Vergangenheit mit verschiedenen optischen kohärenten Kontrolltechniken gut untersucht. Wir begannen mit einem Modellsystem von Nanodraht-Quantenpunkten, die in Ringen angeordnet waren, um natürliche Lichtsammelsysteme zu emulieren und nach kohärenten Kopplungseffekten zu suchen. Es stellte sich jedoch heraus, dass die derzeitigen Wachstumsparameter dieses Systems eine signifikante Kopplung zwischen den Punkten nicht zulassen. Daher haben wir ein einfacheres Testsystem vorgeschlagen, bei dem mehrere Quantenpunkte in demselben Nanodraht in verschiedenen Höhen gezüchtet werden. Damit lassen sich kollektive Effekte in einem großen Bereich von Kopplungen untersuchen. Diese Probe wird derzeit untersucht. Um die gleichzeitige Untersuchung eines großen Bereichs von kohärenten Kopplungen zu ermöglichen, entwickeln wir auch eine robuste Multiplex-Mikroskopietechnik. Parallel dazu wird auch ein alternatives System von spannungsabgestimmten Quantentöpfen entwickelt, bei dem unserer Meinung nach direkte Dipol-Dipol-Wechselwirkungen in beliebigen Geometrien erreicht werden können, was in Nanodraht-Systemen wahrscheinlich nicht möglich ist. Darüber hinaus haben wir in unseren Labors fortgeschrittene Pulsformungstechniken entwickelt, um solche sich kollektiv entwickelnden Zustände zu untersuchen. In unseren jüngsten Experimenten mit einzelnen Quantenpunkten haben wir den Nachweis des Prinzips erbracht. Solche Experimente werden bald auf kollektiv wechselwirkende Quantenpunkte ausgedehnt.