Mehr als die Hälfte der Energie, die von der Sonne auf die Erde trifft, bleibt für uns unsichtbar. Das menschliche Auge reagiert nur auf Wellenlängen zwischen etwa 400 und 700 Nanometern. Alles, was darüber liegt, erreicht die Sehpigmente in der Netzhaut zwar, trägt aber zu wenig Energie, um sie umzuschalten: Rund 1,6 Elektronenvolt braucht der molekulare Schaltvorgang, Infrarotphotonen liefern weniger. Nachtsichtgeräte gleichen das aus, liefern aber bislang nur Helligkeitsabstufungen, meist in Grün.
Ein Team um Chengchang Fu, Xin Tang und Ge Mu am Beijing Institute of Technology hat nun einen Weg gefunden, diese Beschränkung zu umgehen. Im Fachjournal Science Advances beschreiben die Forschenden ein Bauelement, das Infrarotstrahlung nicht in Helligkeit übersetzt, sondern in Farbe – und zwar so, dass sich Wellenlänge und Intensität am Farbton ablesen lassen.
Der Gewinn ist mehr als kosmetisch. Das menschliche Auge unterscheidet Farbtöne sehr viel feiner als Helligkeitsstufen. Nach den Berechnungen der Studie werden dadurch Unterschiede in der Infrarotleistung erkennbar, die rund 200-mal kleiner sind als bei einer rein monochromen Anzeige.
Zwei Leuchtschichten und eine Energiebarriere
Die Umwandlung beginnt in einer Schicht aus Quantenpunkten des Halbleiters Quecksilbertellurid, jeder davon nur etwa vier Nanometer groß. In so kleinen Strukturen sind die Energieniveaus nicht mehr durchgehend, sondern in Stufen zerlegt. Kurzwelliges Infrarot löst deshalb andere und mehr Ladungsübergänge aus als langwelliges – die Zahl der erzeugten positiven Ladungsträger verrät, welche Strahlung angekommen ist.
Darüber sitzt eine organische Leuchtdiode mit zwei übereinanderliegenden Emissionsschichten: unten eine rot leuchtende, darüber eine im Cyanbereich. Getrennt werden sie durch eine Energiebarriere von rund 0,82 Elektronenvolt. Treffen wenige Ladungsträger ein, fängt die rote Schicht sie vollständig ab, und das Bauteil glimmt schwach rot. Steigt ihre Zahl, läuft die Barriere über, Cyan mischt sich hinzu, der Farbton verschiebt sich. Infrarotlicht von 980, 1550 und 2000 Nanometern erzeugte in den Versuchen jeweils klar verschiedene Farben.
Weil die Schichten dünn und weitgehend durchsichtig sind, ließ sich das Ganze in eine Brille einbauen. Der Prototyp wiegt 23 Gramm und hat eine aktive Fläche von etwa 3,6 Quadratzentimetern. Das normale Sichtfeld bleibt erhalten, die Infrarotinformation legt sich darüber wie bei einer Augmented-Reality-Anzeige.
Anwendungen sehen die Forschenden in der Nachtsichttechnik, in der Sensorik und beim Erkennen von Stoffen an ihrer Infrarotsignatur. Einen weiteren Schritt haben sie bereits an Mäusen erprobt: Ein miniaturisierter Konverter unter der Netzhaut, gekoppelt an den Rezeptor für blaues Licht, ließ diesen auf Infrarotstrahlung reagieren, nachweisbar in den Hirnströmen. Bis daraus eine Sehprothese wird, ist es weit. Als Laborprototyp aber zeigt die Brille, dass sich der Bereich des menschlichen Sehens mit vergleichsweise schlanken Mitteln erweitern lässt.