Physiker der Staatsuniversität von Minsk in Weißrussland haben in einer Theoriearbeit die Wechselwirkungen zwischen einer Kohlenstoffnanoröhre und einem einzelnen Atom untersucht. Dabei sind sie zu einem überraschenden Ergebnis gekommen: Wenn das Atom nur wenige Millionstel Millimeter von der Röhre entfernt ist, so laufen spontane Übergänge zwischen den Energiezuständen des Atoms mehr als eine Million mal häufiger ab als ohne die Nanoröhre. Die Forscher glauben, dass die starken elektrischen Felder in der Umgebung der Röhre dafür verantwortlich sind, berichten sie im Fachblatt Physical Review Letters (Ausgabe vom 9. September 2002).
Der Quantenmechanik zufolge kann ein Atom nur bestimmte Energieniveaus besitzen. Wenn nun ein Atom durch einen äußeren Einfluss wie etwa Licht oder Wärme in einen höheren Energiezustand versetzt wird, so kehrt es nach einer gewissen Zeit unter der Aussendung von Licht ? genauer gesagt eines einzelnen Lichtquants ? wieder in den Grundzustand zurück. Wie lange ein Atom in dem angeregten Zustand verweilen kann, wird durch die spontane Zerfallsrate des angeregten Zustands angegeben.
Die Forscher um Sergei Maksimenko haben nun herausgefunden, dass sich diese spontane Zerfallsrate um einen Faktor von ungefähr einer Million vergrößert, wenn sich das Atom in der Nähe einer Kohlenstoffnanoröhre befindet. Ursache ist die starke Krümmung sowie die elektrische Leitfähigkeit der Kohlenstoffnanoröhre. Die Krümmung führt zu einer Verstärkung des elektrischen Feldes in der Umgebung ? in Analogie zu dem von Blitzableitern bekannten Purcell-Effekt. Die Wechselwirkung zwischen diesem Feld und dem Atom führt zu der Erhöhung der Zerfallsrate.
Die Forscher glauben, dass Kohlenstoffnanoröhren auch die spontanen Zerfallsraten von Molekülen sowie von organischen Fluoreszenzfarbstoffen erhöhen sollten. Dies könnte sich schon bald in Experimenten überprüfen lassen. Allerdings bedeutet eine höhere Zerfallsrate leider nicht automatisch eine Verstärkung der Lichtaussendung des Atoms oder Moleküls: Die beim Übergang in den Grundzustand freiwerdende Energie wird in der großen Mehrzahl aller Übergänge nicht als Licht, sondern auf einem strahlungsfreien Wege direkt an die Nanoröhre abgegeben.
Stefan Maier
