Ausgabe 210

ÖSTERREICH JOURNAL NR. 210 / 18. 04. 2024
Egal ob man Umweltproben in der Natur
analysieren möchte oder ein chemisches
Experiment überwacht: Oft braucht man
hoch sensible Sensoren, die mit extremer Ge -
nauigkeit selbst winzige Spuren eines be -
stimmten Gases „erschnüffeln“ können. Oft
setzt man dafür Varianten der sogenannten
Raman-Spektroskopie ein: Unterschiedliche
Moleküle reagieren auf ganz charakteristische
Weise auf Licht unterschiedlicher Wellenlängen.
Wenn man eine Probe mit dem
passenden Licht bestrahlt und genau mißt,
auf welche Weise das Licht von der Probe
verändert wird, kann man herausfinden, ob
die Probe ein bestimmtes Gas enthält oder
nicht.
An der TU Wien gelang nun allerdings in
diesem Bereich ein bedeutender Schritt nach
vorne: Man entwickelte eine neue Methode,
passendes Licht für solche Experimente zu
erzeugen und exakt zu kontrollieren. Da -
durch ist nun nicht nur eine viel höhere
Genauigkeit möglich als bisher, die Methode
funktioniert außerdem auch ohne bewegliche
Teile und arbeitet daher viel schneller als
die bisher besten Technologien. Die Methode
wurde nun im Fachjournal „Light: Science
and Applications“ publiziert.
Stimulierte Raman Emission:
Wackelnde Atome
Die Basis der neuen Technologie ist die
sogenannte „Stimulierte Raman Emission“ –
ein quantenphysikalischer Prozeß, an dem
mehrere Photonen gleichzeitig beteiligt sind.
Man bestrahlt eine Probe mit Licht, das aus
zwei geringfügig unterschiedlichen Wellenlängen
besteht. Ein Molekül der Probe kann
somit gleichzeitig von zwei Photonen getroffen
werden, die geringfügig unterschiedlich
viel Energie haben. Dann kann es passieren,
daß aus dem energiereichen und dem energieärmeren
Photon plötzlich zwei energieärmere
Photonen werden – die verbleibende
Energiedifferenz führt dazu, daß das Molekül
plötzlich ein bißchen mehr Energie hat.
Die Atome des Moleküls können so zum Bei -
spiel zum Wackeln oder Rotieren angeregt
werden.
Das bedeutet nun, daß die Zahl der energiereicheren
Photonen gesunken und die
Wissenschaft & Technik
Hochpräzise »künstliche Nase«
Eine neue Spektroskopie-Methode wurde an der TU Wien entwickelt: Mit Hilfe einer
Serie von Lichtblitzen kann man chemische Analysen viel schneller und präziser
durchführen als bisher.
Foto: TU Wien
Hongtao Hu und Vinzenz Stummer
Zahl der energieärmeren Photonen gestiegen
ist. Genau daran kann man erkennen, daß
sich das gesuchte Molekül tatsächlich in der
Probe befunden hat.
„Normalerweise ist das aber ein mühsamer
Prozeß“, erklärt Hongtao Hu vom Institut
für Photonik der TU Wien, der Erstautor
des aktuellen Papers. „Man muß sorgfältig
eine Wellenlänge nach der anderen ausprobieren
– zum Beispiel indem man den Lichtstrahl
auf einen Kristall richtet und dann den
Kristall langsam dreht oder seine Temperatur
ändert, sodaß die Probe im Lauf der Zeit
von vielen unterschiedlichen Wellenlängen
getroffen wird.“
Femtosekunden-Laserpulse
An der TU Wien arbeitete die Arbeitsgruppe
von Prof. Andrius Baltuska seit Jahren
gemeinsam mit Dr. Xinhua Xie (Swiss-
»Österreich Journal« – https://kiosk.oesterreichjournal.at
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FEL at Paul Scherrer Institut, Schweiz) und
Prof. Alexei Zhletikov (Texas A&M University,
USA) daran, das Raman-Spektrum mit
ganz speziellen Lichtquellen zu messen. Das
Team von Andrius Baltuska hatte bereits seit
Jahren an dieser speziellen Lichtquelle gearbeitet.
Hongtao Hu konnte nun unter anderem
durch umfangreiche Computersimulationen
zeigen, daß damit eine viel höhere Präzision
zu erreichen ist als mit herkömmlichen Me -
thoden. „Wir produzieren nicht nur eine
Wellenlänge, sondern eine Serie von ultrakurzen
Lichtpulsen“, erklärt Prof. Andrius
Baltuska. „Jeder dieser Pulse hat eine Dauer
im Bereich von Femtosekunden.“
Diese Lichtpuls-Serien haben nicht eine
bestimmte Wellenlänge – sie setzen sich aus
vielen verschiedenen Wellenlängen zusammen.
Entscheidend ist nun die Phase der
Lichtwellen – also die Position von Wellenbergen
und Wellentälern. „Indem wir die Pha -
se verändern, können wir all diese Wellenlängen,
aus denen der Puls besteht, gleichzeitig
ein bißchen verschieben“, sagt Hongtao
Hu. „Bei ganz bestimmten Wellenlängen
erhält man dann ein Raman-Signal, bei an -
deren nicht. Wir können mit unserer Methode
also auf sehr elegante Weise einen be -
stimmten Wellenbereich untersuchen, ohne
dabei irgendwelche beweglichen Teile einstellen
zu müssen. Auf diese Weise kann
man im Prinzip unterschiedlichste Moleküle
voneinander unterscheiden.“
Höhere spektrale
Auflösung als je zuvor
Hongtao Hu konnte zeigen: Je länger die
Serie von Lichtpulsen, umso höher wird die
Präzision: „Man kann mit einer Serie aus
vielen Einzelpulsen somit eine deutlich hö -
here spektrale Auflösung erreichen als bisher“,
sagt Hongtao Hu. Im Prinzip lassen
sich so also auch Raman-Übergänge voneinander
unterscheiden, die von unterschiedlichen
Molekülen kommen, deren Signale
mit bisherigen Technologien aber fast exakt
gleich aussehen. Anwendungsmöglichkeiten
der neuen Technologie reichen von Umweltanalytik
bis zur Qualitätssicherung in der
chemischen Industrie.
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https://www.tuwien.at/