Fluoreszenz von Rubin

Die charakteristische rote Fluoreszenz von Rubin, einer Varietät des Minerals Korund (Al₂O₃), ist ein faszinierendes Phänomen, das auf die besonderen Eigenschaften seines Kristallgitters und die darin eingebauten Chrom(III)-Ionen (Cr³⁺) zurückzuführen ist.

Wenn Rubin mit UV-Licht oder sichtbarem Licht im blauen bis grünen Spektralbereich bestrahlt wird, absorbieren die Chrom-Ionen diese Energie. Nach der Anregung geben die Chrom-Ionen die Energie in Form von Licht im roten Bereich wieder ab, typischerweise bei 694 nm. Fremdionen oder Gitterfehler können die Fluoreszenz abschwächen.

Aufnahme eines Fluoreszenz-Spektrums

Für die Aufnahme des hier gezeigten Spektrums wurde ein Rubin-Zoisit (auch bekannt als Anyolit) genutzt. Es handelt sich hierbei um ein Gestein, das aus einer Kombination von rotem Rubin, grünem Zoisit (ein Kalzium-Aluminium-Silikat (Ca₂Al₃(SiO₄)(Si₂O₇)O(OH))) und oft schwarzen Einsprenglingen von Hornblende (ein dunkles, eisenreiches Amphibolmineral) besteht.

Zur Anregung nutzten wir eine 375 nm-LED, mit der der Rubin-Zoisit in einem Winkel von 45 Grad beleuchtet wurde. Das emittierte Licht wurde mit einem Lichtleiter in ebenfalls 45 Grad-Winkel aufgenommen und dem Spektrometer zur Analyse zugeführt.

Zum Einsatz kam ein DIY-Spektrometer in Czerny-Turner-Bauweise mit 150 mm Brennweite, einer Spaltgröße von 10 µm, einem Gitter mit 300 lp/mm sowie einem CCD-Detektor mit 3648 Pixel (Zeilenkamera e9u-LSMD-TCD1304-STD).

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Bei einer Integrationszeit von bereits 300 ms zeigte sich die charakteristische, relativ schmalbandige Hauptemission des Rubins bei 694 nm. Diese entspricht der R-Linie, die durch den Übergang von den angeregten Zuständen ²E auf den Grundzustand ⁴A₂ entsteht.

Höhere Integrationszeiten wie im folgenden Spektrum von 1500 ms zeigen dann auch vibronische Übergänge im Bereich zwischen 660 nm und 720 nm, während das Hauptmaximum bei 694 nm aufgrund seiner Intensität den Detektor durch Sättigung bereits übersteuert.

Solche vibronische Übergänge sind kombinierte Übergänge, bei denen Energie aus elektronischen Zustandswechseln mit Gitterschwingungen (Phononen) im Kristall gekoppelt wird. Die Chrom-Ionen im Rubin-Kristallgitter sind in einer Umgebung eingebettet, die solche Schwingungen zulässt. Diese Schwingungen koppeln sich an die Elektronenübergänge und führen zu den zusätzlichen Emissionslinien.

Diese Linien erscheinen in der Regel asymmetrisch um das Hauptmaximum und sind typischerweise deutlich schwächer. Die Position und Intensität solcher vibronischen Peaks kann durch Störungen im Kristallgitter, wie Verunreinigungen oder Gitterdefekte, beeinflusst werden. Höhere Temperaturen fördern vibronische Übergänge, da thermische Schwingungen im Gitter zunehmen.

Im Bereich zwischen 400 nm und 425 nm sind noch Reste des Lichtes der anregenden UV-LED zu sehen. Dieses Signal stammt somit nicht von der Fluoreszenz des Rubins.

Wissenswertes zu Rubin

Rubinkristalle werden nicht nur als Schmuck, sondern auch in Lasern eingesetzt, bei denen diese Fluoreszenz bei 694 nm durch optisches Pumpen verstärkt und kohärent ausgesendet wird.

Die Intensität der Fluoreszenz von Rubin ist temperaturabhängig und wird durch den Einfluss der thermischen Energie auf die Chrom-Ionen im Kristallgitter des Korunds beeinflusst. Die Fluoreszenz von Rubin ist bei niedrigen Temperaturen intensiver. Das liegt daran, dass dort thermische Schwingungen minimal sind, wodurch weniger Energie in Form von Wärme verloren geht und so die Elektronenübergänge effizient bleiben. Bei höheren Temperaturen nimmt die Fluoreszenzintensität spürbar ab, da die thermischen Schwingungen im Kristallgitter zunehmen. Diese Schwingungen stören die elektronischen Übergänge der Chrom-Ionen und führen zu einem Effekt, der als thermisches Quenching bezeichnet wird.

Rubin wird aufgrund der Temperaturabhängigkeit seiner Fluoreszenz auch als Temperaturmesser in extremen Umgebungen verwendet, wie etwa in der Hochdruckphysik oder in kryogenen Experimenten. Die Fluoreszenz ist ein wichtiges Merkmal zur Identifikation von natürlichem Rubin. Synthesen und Fälschungen fluoreszieren oft anders oder gar nicht.