Fluoreszenzquantenzuständen

Fluoreszenzquantenzustände bezeichnet die quantenmechanischen Zustände, die an der Fluoreszenz beteiligt sind. Sie umfassen die elektronischen Zustände eines Fluorophors (Molekül, Farbstoff, Quantenpunkt) sowie deren vibrierale Unterzustände. Typischerweise werden der Grundzustand S0, der ersten angeregten Singulettzustand S1 und höhere Singulettzustände Sn sowie der Tripletzustand T1 berücksichtigt. Diese Zustände bilden die Grundlage für das energetische Flussverhalten eines fluoreszierenden Systems.

In einem Fluoreszenzzyklus beginnt der Prozess mit der Absorption eines Photons, das das System in ein angeregtes Sn- oder bevorzugt in S1 hebt. Schnelle vibrierale Relaxation führt zur niedrigsten vibrieralen Ebene von S1. Daraufhin erfolgt der radiative Abstieg von S1 nach S0, wobei ein Photon emittiert wird (Fluoreszenz). Neben dem radiativen Pfad gibt es nichtstralende Relaxation (internal conversion) S1→S0 ohne Photon. Zudem kann es durch Spinwechsel zu Tripletzuständen kommen (Intersystem Crossing S1→T1), aus denen unter bestimmten Bedingungen Phosphoreszenz T1→S0 resultieren kann. Spin- und Symmetriebedingungen führen dazu, dass manche Übergänge erlaubt oder verboten sind (ΔS=0 für elektrische Dipol-Übergänge, Triplet-zu-Singlet-Übergänge meist schwach).

Quanteneigenschaften wie Lebenszeiten, Dephasierung durch Umweltwechselwirkungen und Kopplungen an Schwingungsmoden bestimmen die Fluoreszenz. Typische Fluoreszenzlebenszeiten liegen im Nanosekundenbereich; Phosphoreszenz kann deutlich längere Zeiten erreichen. Größen wie Fluoreszenzquantenausbeute φF beschreiben das Verhältnis radiativ abgegebener zu insgesamt abgegebenen Energie. Modelle reichen von einfachen mehrstufigen Zweipunkt-Systemen bis hin zu dichten Diagrammen (Jablonski-Diagramm) und quantenmechanischen Beschreibungen mittels Dichtematrix.

Anwendungen finden sich in der Bio- und Materialforschung, z. B. in Fluoreszenzmikroskopie, Lebensdauerbildgebung, Quantenpunkten und Defektzentren in Festkörpern, wo die Eigenschaften der Fluoreszenzquantenzustände zentrale Rolle spielen.