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News | 27-11-2020

Rubine im Rampenlicht

Die Optical Society (OSA) kürt Publikation mit IKZ Beteiligung zum „Spotlight“ des Monats.

Der am IKZ hergestellte niedrig Chrom-dotierte Saphir-Einkristall

In der Publikation "Optical spin polarization in ruby enhances slow light by high-contrast transient spectral hole-burning" beschreiben Hans Riesen, Aleksander K. Rebane, Wayne Hutchison und Steffen Ganschow wichtige optische Eigenschaften chromdotierter Aluminiumoxidkristalle, besser bekannt unter dem Namen Rubine. Grundlage des Erfolgs ist ein am IKZ von Steffen Ganschow gezüchteter, äußerst niedrig dotierter Rubin.

Die Forschergruppe um Prof. Hans Riesen an der New South Wales-Universität in Canberra, Australien, konnte zeigen, dass in Rubin die Relaxation von Spinzuständen der Chromatome außerordentlich stark gehemmt ist, so dass optisch angeregte Polarisationszustände über Sekunden erhalten bleiben können. Dies kann für wichtige nichtlinear optische Effekte ausgenutzt werden. Für die Messung wurde ein Kristall benötigt, der nur eine sehr geringe (26 ppm at.), aber homogene Konzentration an Chromatomen im Volumen aufweist. Die geringe Konzentration verhindert, dass sich Chromatome gegenseitig zu nahe kommen und Sättigungseffekte auftreten. Bei einer normalen Züchtung aus der Schmelze (im Inertgas) ist der Chromeinbau aber kaum zu steuern, da sich die vorhandene Chrommenge als Cr2O3 bevorzugt in den Kristall einbaut. Deshalb sind solche Kristalle kommerziell nicht erhältlich.

Steffen Ganschow konnte bereits in seiner Doktorarbeit zeigen, dass sich in der Züchtungsatmosphäre abhängig vom verfügbaren Sauerstoff-Partialdruck ein Gleichgewicht zwischen CrO und Cr2O3 ausbilden kann. Da sich nur Cr2O3, nicht aber CrO in den Kristall einbaut, kann die Chromkonzentration im Kristall durch Beimischung von CO und CO2 eingestellt und kontrolliert werden [1]. Auf diese Weise wurde auch die geringe Chromdotierung möglich. Die so gezüchteten Kristalle finden aber nicht nur Verwendung in der Grundlagenforschung, sondern werden auch für die Kalibrierung von Spektrometern eingesetzt, da die Intensität der Chrom-Lumineszenzlinien sehr genau bestimmt werden kann.

[1] S. Ganschow et al., On the effect of oxygen partial pressure on the chromium distribution coefficient in melt-grown ruby crystals, J. Crystal Growth 325, 81-84 (2011)
https://dx.doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2011.04.033

Zum Spotlight:
https://www.osapublishing.org/spotlight/
https://www.osapublishing.org/spotlight/summary.cfm?id=440126