Ringelreihen in der OLED

Wenn Elektronen Händchen halten

OLEDs haben die Displaytechnik revolutioniert und finden sich heute in vielen Smartphones. Ein internationales Forscherteam der Universitäten in Regensburg, Salt Lake City und Queensland konnte nun zeigen, welches Potential OLEDs auch im Bereich der wissenschaftlichen Grundlagenforschung besitzen.

Der Spin-Dicke-Effekt in einer OLED: Die Bestrahlung einer OLED im Magnetfeld führt bei einer bestimmten Magnetfeldstärke zu einer positiven Änderung des Stroms (rot): eine Resonanz entsteht. Bei erhöhter Strahlungsintensität spaltet sich die Resonanz in zwei Äste auf: der sogenannte AC-Zeeman-Effekt. Bei einer kritischen Intensität verschwindet die Resonanz und das Vorzeichen der Stromänderung kehrt sich um (blau) – der „Spin-Dicke-Effekt“ tritt ein, bei dem sich alle Elektronen gleich verhalten. (Bild:: P. Klemm / D. Waters)

Erstmals wurden zwei bislang nur theoretisch vorhergesagte grundlegende Phänomene der Quantenphysik experimentell aufgezeigt: der „AC-Zeeman-Effekt“ und der „Spin-Dicke-Effekt“. Dabei werden die Elektronen in einer OLED unter Einstrahlung von Radiowellen quasi gleichgeschaltet, so dass sich ein neuartiger kollektiver Zustand ausbildet. Anwendungen hiervon finden sich vor allem in der äußerst empfindlichen Vermessung von magnetischen Feldern: die OLED dient als Kompass.

Die Elementarladung einer OLED, das Elektron, verhält sich wie ein kleiner Stabmagnet. Richten sich viele dieser Stabmagnete zusammen in die gleiche Richtung aus, so spricht man von Magnetismus. Diese magnetische Eigenschaft der Elektronen bezeichnet man als „Spin“.

Wird eine OLED in einem Magnetfeld mit elektromagnetischen Radiowellen bestrahlt, führt dies bei einer bestimmten Magnetfeldstärke zu einer positiven Änderung des Stroms: eine Resonanz entsteht, vergleichbar einer schwingenden Gitarrensaite. Dies ist das Grundprinzip der Magnetresonanz, das beispielsweise dem Kernspintomographen zugrunde liegt. Wichtig ist dabei, dass die Resonanzbedingung von der Frequenz der Radiowelle gegeben wird, und nicht von der Intensität der Strahlung. Auch dies kennt man von der Gitarrensaite: der Ton ändert sich nicht mit der Kraft, mit der man die Saite zupft, sondern nur die Lautstärke.

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OLEDs eignen sich bestens, um solche Resonanzphänomene zu untersuchen. So konnten die Forscher nun erkunden, was passiert, wenn die Intensität der elektromagnetischen Strahlung derart erhöht wird, dass die Spins buchstäblich nicht mehr wissen, wo oben und unten ist. Zunächst spaltet sich die Resonanz in zwei Frequenzen auf: der sogenannte „AC-Zeeman-Effekt“.

Bei einer kritischen Intensität allerdings fangen alle Spins an, sich gleichzeitig in dieselbe Richtung zu drehen, sie sind quasi geordnet: Die Elektronen tanzen Ringelreihen, was sich im Strom der OLED auswirkt und die Resonanz dramatisch verändert. Vergleichen lässt sich dieses Geschehen mit den vielen Instrumenten eines Symphonieorchesters: Eben noch hat jeder Musiker sein Instrument gestimmt, man hört nur ein wirres Durcheinander. Doch mit Einsatz des Taktstocks – in diesem Fall in Form der Radiowellen – erklingt schlagartig ein harmonisches Ensemble. Dieser „Spin-Dicke-Effekt“ wurde schon lange vorausgesagt und konnte nun erstmals in der OLED sichtbar gemacht werden.

Mit dem experimentellen Zugang zu diesen beiden Quantenphänomenen erhoffen sich die Forscher die Entwicklung neuartiger hochempfindlicher Magnetfeldsensoren, die mit den Vorzügen der einfachen Verarbeitung von OLEDs aufwarten.

Die Ergebnisse des Forschungsteams der Universität Regensburg (Prof. Dr. John Lupton), der University of Utah (Prof. Dr. Christoph Boehme) und der University of Queensland (Prof. Dr. Paul Burn) wurden in der Fachzeitschrift „Nature Physics“ veröffentlicht (DOI: 10.1038/nphys3453).

Original-Titel der Publikation:
The Spin-Dicke Effect in OLED Magnetoresistance, Fachjournal „Nature Physics“
Der Artikel im Netz unter:
www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphysXXXX.html

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