Wien – Mit Lasern, die nicht in einer Wellenlänge, sondern in verschiedenen Frequenzen strahlen, lassen sich chemische Verbindungen besonders gut nachweisen. Physiker der Technischen Universität (TU) Wien stellen im Fachblatt "Nature Photonics" eine neue Methode vor, wie sogenannte Frequenzkämme einfach und im Kleinformat hergestellt werden können. Der zum Patent angemeldete Ansatz verspricht neue Anwendungen.

Das Merkmal eines Lasers schlechthin ist, dass alle Lichtteilchen (Photonen) in der selben Wellenlänge schwingen. Im Gegensatz dazu ist das Licht in Frequenzkämmen – für deren Entwicklung Theodor Hänsch und John Hall 2005 den Physik-Nobelpreis zuerkannt bekamen – aber anders: Sie bestehen aus verschiedenen Frequenzen. Wie bei den Zähnen des namensgebenden Körperpflege-Utensils ist der Abstand zwischen ihnen immer gleich.

Gekoppelte Frequenzen

Die Forscher vom Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen (ZMNS) der TU stellen ihre Kämme mit Quantenkaskadenlasern her. Diese bestehen aus maßgeschneiderten Schichten aus Halbleitern im Nanometerbereich. Sie strahlen Laserlicht im Infrarot-Bereich aus, wenn sie von elektrischem Strom durchflossen werden. Durch den Aufbau der winzigen Schichtstruktur lassen sich die Eigenschaften des Lichts gezielt beeinflussen.

Das Wiener Team nutzt bei seinem Ansatz zur Kammherstellung "Schwebungen zwischen verschiedenen Frequenzen aus, ähnlich wie sie in der Akustik auftreten, wenn man zwei verschiedene Töne mit ähnlicher Frequenz hört", so der Leiter des Forschungsprojekts, Benedikt Schwarz. Die verschiedenen Lichtfrequenzen sind alle auf bestimmte Art und Weise miteinander gekoppelt. Das sorgt laut Schwarz für "die Robustheit des Frequenzkamms". Im Normalfall seien solche "Kämme" nämlich sehr empfindlich gegenüber Störungen, etwa durch Temperaturschwankungen oder Reflexionen.

Um das Konzept umzusetzen, brauche es lediglich Bauelemente, die man heute bereits in jedem Mobiltelefon findet. Außerdem habe das System im Vergleich zu anderen auf kleinstem Raum Platz. Schwarz: "Man kann das gesamte Messsystem auf einem Chip im Millimeterformat unterbringen."

Anwendungsideen

Im von den Quantenkaskadenlasern bedienten Frequenzbereich ließen sich überdies viele Moleküle am besten detektieren: "Verschiedene Luftschadstoffe, aber auch Biomoleküle, die für die medizinische Diagnostik eine wichtige Rolle spielen, absorbieren ganz bestimmte Lichtfrequenzen im Infrarotbereich. Man bezeichnet das oft auch als optischen Fingerabdruck des Moleküls. Wenn man also misst, welche Infrarotfrequenzen von einer Gasprobe absorbiert werden, kann man ganz genau sagen, welche Stoffe sie enthält", so Johannes Hillbrand, der Erstautor der Studie.

Den Forschern zufolge könnte man einen solchen Chip beispielsweise auf einer Drohne anbringen und so Luftschadstoffe messen. An die Wand geklebte Messchips könnten in gefährdeten Gebäuden nach Sprengstoffspuren suchen. Man könne die Chips aber auch in medizinische Geräte einbauen, um Krankheiten an chemischen Spuren in der Atemluft zu erkennen, so die Wissenschafter. (APA, red, 16.12.2018)