Unsere Augen sind für die Hälfte des Sonnenlichts blind, denn wir sehen nur einen kleinen Ausschnitt des Strahlungsspektrums – das sichtbare Licht mit 400 bis 700 Nanometer Wellenlänge. Auf die langwelligere Infrarotstrahlung reagieren die menschlichen Sehpigmente dagegen nicht – die Photonen dieser Strahlung sind nicht energiereich genug. Um dies auszugleichen, behelfen wir uns zwar mit Nachtsichtgeräten. Diese zeigen uns die Infrarotwelt aber nur einfarbig und oft unscharf. Gleiches gilt für neu entwickelte Infrarotsicht-Kontaktlinsen.
Halbleiterstapel als Strahlungswandler
Doch in Zukunft könnten wir ganz neue – farbige – Einblicke in die Infrarotwelt erhalten. Denn Forschende des Beijing Institute of Technology um Chengchang Fu haben erstmals eine Technik entwickelt, die Infrarotstrahlung in farbige Seheindrücke umwandeln kann. „Dies erschließt uns ein riesiges Reservoir von zuvor unzugänglicher Information und ermöglicht Funktionen, für die unsere natürliche Sicht nicht ausreicht“, erklärt das Team.
Möglich wird dies durch einen neuartigen Konverter, der infrarote Strahlung über photoelektrische Prozesse in verschiedene Wellenlängen des sichtbaren Lichts umwandelt. Basis dafür ist eine raffinierte Kombination verschiedener ultradünner Hableiterschichten. Die erste Schicht bilden Quantenpunkte aus dem Halbleitermaterial Quecksilbertellurid – winzige in eine Matrix eingebettete photoelektrische Reaktionszentren. Trifft Infrarotlicht auf diese Halbleiter-Quantenpunkte, werden sie angeregt und dies verändert die Ladungsverteilung im Material.
„Verschiedene Infrarotwellenlängen erzeugen dabei unterschiedliche Energieübergänge und damit auch unterschiedliche Mengen an Exzitonen“, erklären Fu und seine Kollegen. Exzitonen sind durch Anregung gebildete Quasiteilchen aus Elektronen und positiv geladenen „Löchern“ im Material. Im Infrarot-Konverter erzeugt kurzwelligeres Infrarotlicht mehr dieser Exzitonen als langwelligeres, wodurch spezifische Ladungspeaks entstehen. Die positiv geladenen Löcher dieser Peaks werden dann weitergeleitet.
Aufbau des Infrarot-Konverters (links) und Reaktionen der Rot- und Cyan-Emitterschicht. (HTL: Lochtransportschicht, ETL: Elektronentransportschicht) — © Fu et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0
Wie das farbige Licht entsteht
Der eigentliche Clou folgt dann: Über der Quantenpunktschicht liegen mehrere Schichten aus Halbleitern, die bei elektrischer Anregung Photonen jeweils bestimmter Wellenlängen abgeben – nach dem Prinzip einer LED. Dabei liegt die rotes Licht emittierende Schicht zuunterst, darauf folgt eine Schicht, die Photonen im Cyanbereich abgibt. „Die von den Quantenpunkten generierten Löcher werden zunächst bevorzugt von der roten Schicht der Emissionseinheit gefangen“, erklären Fu und sein Team.
In dieser Schicht wird Infrarotstrahlung längerer, energieärmerer Wellenlängen in rötliche Farbtöne umgewandelt. Kurzwelligeres Infrarotlicht erzeugt jedoch mehr Löcher als dieses Material aufnehmen kann – es wird übersättigt. „Überschüssige Löcher überwinden dann die Energiebarriere und gelangen in die Cyan-emittierende Schicht“, berichten die Physiker. Als Folge emittiert der Konverter jetzt Licht mehrerer Farben. „Infrarotwellenlängen von 980, 1550 und 2000 Nanometer erzeugen dadurch entsprechende Farbunterschiede.“ Zusätzlich spiegeln sie auch die Intensität der Infrarotstrahlung wider.
Infrarot-Brille als Prototyp
In ihren Praxistests haben die Forscher ihren Infrarot-Konverter auch schon in eine Brille eingebaut. Das geht, weil die Konverterschichten sehr dünn und weitgehend transparent sind. „Dadurch können die vom Konverter erzeugten Signale und der sichtbare Hintergrund überlagert werden“, erklären Fu und seine Kollegen. Es entsteht ein Seheindruck ähnlich wie bei der Augmented Reality: Wir sehen die Formen und Farben aus dem Infrarotbereich zusätzlich zu den für uns von Natur aus sichtbaren Strukturen.
“Damit definieren wir die Infrarotsicht neu“, konstatieren Fu und sein Team. Erstmals sei es nun möglich, das Spektrum und die Intensität von Infrarotsignaturen in unterscheidbare Farbtöne umzuwandeln. Dies erweitert nicht nur die Möglichkeiten beispielsweise von Nachtsichtgeräten, es verbessert auch ihre Sensitivität und Auflösung. Denn das menschliche Auge kann Farbunterschiede besser wahrnehmen aus bloße Helligkeitsabstufungen, wie die Forscher erklären. In Tests lag die Unterscheidbarkeit subtiler Infrarotsignale um zwei Größenordnungen höher als bei monochromen Umwandlern.
Anwendungen als Prothesen, Sensoren oder Implantate
Nach Ansicht der Forscher hat ihr Infrarot-Konverter zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten: „Diese Technologie ebnet den Weg für visuelle Prothesen der nächsten Generation, aber auch für eine Erweiterung unserer Sensorik“, schreiben sie. Mithilfe dieser Technik könnte man beispielsweise Substanzen anhand ihrer Infrarotsignatur unterscheiden oder Wärmesignaturen erkennen – einfach nur mit einer Brille. Sie verbessert zudem Nachtsichtgeräte und andere unter erschwerten Sichtbedingungen genutzte Instrumente.
In Zukunft wäre es sogar denkbar, den Infrarot-Konverter so weit zu miniaturisieren, dass er direkt ins Auge eingepflanzt werden kann. Einen ersten Test dafür haben Fu und seine Kollegen bereits am Mäuseauge durchgeführt. Dafür pflanzten sie einen solchen Mini-Konverter unter die Netzhaut der Maus und koppelten ihn an den Photorezeptor für blaues Licht. Hirnstromableitungen zeigten, dass dieser Rezeptor daraufhin von Infrarotlicht aktiviert wurde.
Quelle: Chengchang Fu (Beijing Institute of Technology, Peking) et al., Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aed0245
