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Dem Unsichtbaren auf der Spur: Forschung findet Weg, um Infrarotlicht zu sehen

Ein neuartiges Konzept eröffnet den Weg zu einer neuen, kostengünstigen Sensortechnologie. Es zeigt, wie Infrarotlicht in sichtbares Licht umgewandelt werden kann.

Grundlagenforschung

Eine kürzlich in der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichte Studie hat einen neuen Ansatz zur Erkennung von normalerweise unsichtbarem Infrarotlicht vorgestellt. Die im Rahmen der EU-finanzierten Projekte THOR, POSEIDON, PICOFORCE und BioNet unterstützte Forschung bereitet nun kosteneffizienten, groß angelegten Infrarotdetektoren und spektroskopischen Verfahren zur Überwachung von Treibhausgasemissionen, zur Früherkennung von Krebserkrankungen und zur Fernerkundung des Weltalls den Weg. Infrarotwellen sind der letzte Bandbereich des elektromagnetischen Spektrums, bevor das sichtbare Licht beginnt. Auch wenn Infrarotlicht für das menschliche Auge in den meisten Fällen unsichtbar bleibt, ist es als Wärme zu spüren. Mittleres Infrarot, der Bereich in der Mitte des infraroten Spektralbereichs, liegt im Frequenzbereich von 20 bis 215 Terahertz und strahlt im Vergleich zum nahen und fernen Infrarot nur mäßige Wärme ab. Um dieses schwache Licht im mittleren Infrarotbereich zu erfassen, verwendet die Wissenschaft gegenwärtig teure und energieintensive Geräte, die auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt werden müssen. Das von der EU unterstützte Forschungsteam hat zur Lösung dieses Problems nun eine Möglichkeit gefunden, das Licht in sichtbare Frequenzen umzuwandeln, damit es einfach und effizient erfasst und gemessen werden kann.

Trickreich das Licht einfangen

Mithilfe einer einzigen Lage aus Molekülen fing das Team die verschiedenen Frequenzen des Lichts im mittleren Infrarotbereich innerhalb ihrer schwingenden chemischen Bindungen ein. Wie in einer Pressemitteilung auf „ScienceDaily“ berichtet wird, geben die schwingenden Moleküle ihre Energie an das sichtbare Licht ab, auf das sie treffen, und wandeln die Frequenz der Photonen im mittleren Infrarotbereich in eine höhere Frequenz um. Diese Hochkonversion erzeugt Lichtemissionen, die problemlos von den heute üblichen Kameras für sichtbares Licht abgebildet werden können. Die Herausforderung bestand darin, dafür zu sorgen, dass die schwingenden Moleküle schnell genug auf das sichtbare Licht trafen, heißt es in der Pressemitteilung. „Das bedeutete, dass wir das Licht in großer Nähe zu den Molekülen einfangen mussten, indem wir es in goldumsäumte Spalten zwängten“, erklärt der Erstautor der Studie, Dr. Angelos Xomalis von der Universität Cambridge, die Partnerin der Projekte THOR und POSEIDON ist und das Projekt PICOFORCE koordiniert. Die Forschenden schichteten einzelne Moleküllagen zwischen einen Spiegel und winzige Goldstückchen. „Es war schwierig, diese verschiedenen Lichtfarben gleichzeitig einzufangen, aber wir wollten eine Variante finden, die nicht teuer ist und mit der sich auf einfache Weise praktische Bauelemente herstellen lassen“, erklärt der Mitautor der Studie, Dr. Rohit Chikkaraddy, ebenfalls von der Universität Cambridge, in derselben Pressemitteilung. Dadurch, dass es dem Team gelang, die Möglichkeit nachzuweisen, derartige Infrarotdetektoren auf Siliziumwafern unterzubringen, wurden die ersten erfolgreichen Bauelemente in dem aufstrebenden neuen Gebiet der molekularen Optomechanik erschaffen. Jeremy Baumberg, Professor an der Universität Cambridge und korrespondierender Autor der Studie, beschreibt die Errungenschaft mit den folgenden Worten: „Es ist so, als würde man langsam dahinwogende Erdbebenwellen hören, indem man sie mit einer Geigensaite kollidieren lässt, um einen hohen Pfeifton zu erhalten, der problemlos hörbar ist, aber ohne die Geige zu zerbrechen.“ Das Projekt THOR (TeraHertz detection enabled by mOleculaR optomechanics) endet im August 2022. POSEIDON (NanoPhOtonic devices applying SElf-assembled colloIDs for novel ON-chip light sources) und BioNet (Dynamical Redesign of Biomolecular Networks) werden 2023 enden, während PICOFORCE (Pico-Photonic Forces at the Atomic Scale) 2025 abgeschlossen wird. Weitere Informationen: THOR-Projektwebsite POSEIDON-Projektwebsite Projekt PICOFORCE Projekt BioNet

Schlüsselbegriffe

THOR, POSEIDON, PICOFORCE, BioNet, Licht, Infrarot, sichtbares Licht, Moleküle, mittlerer Infrarotbereich, Sensorik

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