Während freie Elektronen beliebige Energien besitzen können, erlaubt die Quantenmechanik den Ladungsträgern in gebundenem Zustand in Atomen oder Molekülen nur ganz bestimmte Energieniveaus. So braucht ein Elektron also auch genau die passende Energie, um die nächste Energiestufe zu erklimmen – anders als ein Läufer beispielsweise, der die Stockwerke eines Hochhauses stürmt und auch zwischendurch auf dem Treppenabsatz Pause machen und bei Bedarf Energie nachtanken darf. Ein Elektron muss die "Stockwerke" immer in einem Satz nehmen, also einem Aufzug gleich, der ja auch nur bei jeder Etage hält.

Die Energie, die dazu ein Photon liefert, wird durch seine Wellenlänge bestimmt. So kommt es, dass sich nur Licht bestimmter Farbe zur Anregung von Elektronen eignet und im Gegenzug, beim Zurückfallen des Elektrons auf ein tieferes Energieniveau, emittiert wird. Doch keine Regeln ohne Ausnahmen: Denn schon 1931 vermutete die Physikerin und spätere Nobelpreisträgerin Maria Goeppert-Mayer, dass auch zwei oder mehr Photonen, wenn sie denn gleichzeitig absorbiert werden, ein Elektron auf ein entsprechend höheres Niveau anregen könnten. Ein Express-Aufzug sozusagen, der auch mit kleinen Energiehäppchen funktioniert, vorausgesetzt, die Gesamtenergie aller Photonen steht gleichzeitig zur Verfügung und reicht für den Sprung nach oben.

Es sollte jedoch bis 1996 dauern, bis Forscher um Guang He von der University at Buffalo ein organisches Material fanden, an dem sich diese Zwei-Photonen-Absorption beobachten ließ. Nun gelang der gleichen Forschergruppe das Kunststück sogar mit drei Photonen: So konnten sie einen organischen Farbstoff zur stimulierten Emission anregen, einer Art Lawineneffekt, bei dem bereits emittierte Photonen weitere Photonen gleicher Wellenlänge freisetzen – ein Prozess der die Grundlage jedes Lasers ist. Dabei lag die Wellenlänge des ausgesandten Lichts im sichtbaren Bereich und erschien gelblich-grün. Das Licht, das zur Anregung über den Drei-Photonen-Prozess diente, war hingegen infrarot und mit einer Wellenlänge von etwa 1,3 Mikrometer deutlich energieärmer.

Das ist insofern bedeutsam, da 1,3 Mikrometer gerade eine von zwei Wellenlängen markiert, die in der Lichtleitertechnik verwendet werden. Der Effekt ließe sich laut der Wissenschaftler beispielsweise dazu nutzen das Signal-Rausch-Verhältnis in solchen Lichtwellenleitern zu verbessern. So könnte man Daten schneller durch das Kabel schicken. Da infrarotes Licht tiefer in biologisches Gewebe eintritt als sichtbares und obendrein dort weniger Schäden anrichtet, lässt es sich zusammen mit geeigneten Farbststoffen vielleicht auch zur Lichttherapie nutzen. Denn erst vor Ort würde dann der Farbststoff das infrarote Licht in kurzwelliges umwandeln. Schließlich spekulieren die Forscher, dass man mit der richtigen Licht-Farbstoff-Kombination selbst UV-Licht erzeugen und so einen UV-Laser bauen könnte – eine Lichtquelle, die sich vor allem die Halbleiterindustrie zur Herstellung noch kleinerer Chipstrukturen wünscht.