Positronen sind bessere Lichterzeuger

Bildschirme von Fernsehgeräten oder PC-Monitore benutzen sie. Auch in den Forschungslabors werden sie beispielsweise zum Untersuchen von Plasmen, Teilchen- oder Antiteilchenstrahlen eingesetzt. Die Rede ist von Leuchtstoffen. Wenn Teilchen oder Antiteilchen auf einen Leuchtstoff treffen, regen sie ihn zum Lumineszieren an. Unbekannt war bisher, dass die Lichtausbeute mit Elektronen wesentlich niedriger ist als mit ihren Antiteilchen, den Positronen. Diesen Umstand entdeckte nun Dr. Eve Stenson im Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching und Greifswald beim Vorbereiten von Experimenten mit Materie-Antimaterie-Plasmen.

Positron löst zweite Reaktion aus

Das IPP erklärt die höhere Lichtausbeute mit Positronen wie folgt: Sowohl Elektronen wie auch Positronen geben ihre Bewegungsenergie beim Aufprall an das Leuchtmittel ab. Bei diesem Zusammenstoss werden Elektronen des Leuchtstoffs aus einem tieferen auf ein höheres Energieniveau gehoben. Beim Zurückfallen geben sie die freiwerdende Energie als Licht wieder ab – der Stoff leuchtet an der getroffenen Stelle auf.

Im Fall eines aufprallenden Positrons tritt jedoch noch ein zweiter Effekt auf: Nachdem es seine Energie im Leuchtstoff abgegeben hat, kann sich das Positron dort mit einem Elektron, seinem Antiteilchen, vernichten. Es bleibt ein Loch im See der Elektronen des Leuchtstoffs, in das andere Elektronen aus höheren Energieniveaus fallen können, was zu einer nochmaligen Lichtaussendung führt. Insgesamt erklärt dies die höhere Lichtausbeute der Positronen. «Dieses ‹zweite› Licht könnte jedoch auch Informationen über die Materialeigenschaften des Leuchtstoffs und den Mechanismus der Lumineszenz liefern», so Stenson. Denn obwohl lumineszierende Stoffe und Leuchtschirme seit Jahrzehnten verwendet werden – in Fernsehern, Displays, Hinweisschildern, physikalischen Sensoren oder als Nanopartikel in der Medizin – sind wichtige physikalische Details ihres Verhaltens noch nicht geklärt.

Die unterschiedliche Wirkung von Elektronen und Positronen hat Stenson gefunden, als sie den Leuchtschirm an einer Teilchen-Falle kalibrieren wollte, die Elektronen oder auch Positronen speichern kann. Zu ihrer Verblüffung ergaben sich für die beiden Teilchensorten zwei ganz unterschiedliche Kurvenverläufe: Positronen einer Energie von einigen zehn Elektronenvolt erzeugten in den von Stenson untersuchten Leuchtschirmen aus Zinksulfid oder Zinkoxid so viel Licht wie Elektronen mit mehreren tausend Elektronenvolt. Um das zu verstehen, musste die Forscherin einem Abstecher aus der Plasmaphysik in die Festkörperphysik machen, führt das IPP aus. Denn sie stellte fest, dass die von Elektronen und Positronen ausgelöste Lumineszenz für niedrige Energien bislang offensichtlich noch nie verglichen worden war, obwohl beide Teilchensorten routinemässig mit Leuchtschirmen nachgewiesen werden.

Anwendung in der Technik?

«Wäre Antimaterie nicht so schwierig herzustellen, könnte man auf eine Ära hochleuchtender Niederspannungs-Displays hoffen, in der die Leuchtschirme nicht von Elektronen, sondern von Positronen angeregt werden», meint Stenson augenzwinkernd zu ihrer Entdeckung. «Das ist aber leider nicht machbar». Das IPP malt sich aus, dass es trotzdem eine Zukunft für Positronen-induzierte Lumineszenz geben könnte.