Ausgabe 210

Weitere Magazine

Empfehlungen

Info

ÖSTERREICH JOURNAL NR. <strong>210</strong> / 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 152 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. n https://www.tuwien.at/
ÖSTERREICH JOURNAL NR. <strong>210</strong> / 18. 04. 2024 Wissenschaft & Technik Quanten: Fotos für besseres Verständnis von Licht und Materie Ein internationales ForscherInnen-Team konnte erstmals Fotos von einem besonderen Exemplar aus der Welt der Quantenforschung machen: dem Exziton. Die damit gewonnenen Erkenntnisse sollen genutzt werden, um mit neuartigen Fotovoltaik-Anlagen noch mehr Strom aus Sonnenlicht zu gewinnen. Es ist alltäglich und doch eine der wichtigsten physikalischen Reaktionen aus der Welt der Quantenforschung: Licht trifft auf Materie und das führt zu unterschiedlichsten Phänomenen; Menschen riskieren einen Sonnenbrand, schwarze Flächen werden heiß und in Fotovoltaik-Anlagen entsteht Elektrizität. Doch was steckt dahinter? Wenn ein Lichtteilchen, ein Photon, in einem Molekül auf ein Elektron trifft, schleudert es dieses aus seiner Bahn. Experten sagen, das Elek - tron wird angeregt, es gelangt auf eine höhere Ebene. Dabei hinterlässt es einen leeren Platz, ein Elektronenloch, mit dem es aber quantenmechanisch verbunden bleibt. Es ent - steht ein Quasi-Teilchen, das „Exziton“ ge - nannt wird. Doch welche Eigenschaften besitzen diese Quasi-Teilchen, was vermögen sie, wie sehen sie aus? Die Klärung dieser Fragen stellte lange Zeit als große Herausforderung dar. Forschende der Universitäten Göttingen, Graz, Kaiserslautern-Landau und Grenoble- Alpes gelang nun ein entscheidender Durchbruch. Sie konnten gleich mehrere Bilder von solchen Exzitonen aufnehmen. Eine be - merkenswerte Leistung angesichts der rasanten Veränderung und der winzigen Größe. Es geht hier um 0,000000000000001 Sekunden und eine Länge von 0,000000001 Metern. Die wegweisenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht. Wiebke Bennecke, Physikerin an der Universität Göttingen und Erstautorin der Studie, führt aus: „Wir erfassen die Änderungen mit außerordentlich präziser räumlicher sowie zeitlicher Auflösung und setzen diese in Bezug mit den theoretischen Vorhersagen der Quantenmechanik.“ Diese neue Me thode bezeichnen die Forschenden als Photoemissions-Exzitonentomographie. Komplexe Bilder Diese Technologie ermöglicht es den WissenschaftlerInnen, die quantenmechanische Wellenfunktion der Exzitonen messen Foto: Uni Graz/Tzivanopoulos Das Forscherteam (v.l.): Andreas Windischbacher, Christian Kern und Peter Puschnig. »Österreich Journal« – https://kiosk.oesterreichjournal.at 153 und sichtbar machen. Das Team der Universität Graz trägt wesentlich zur Auswertung der Daten bei, indem es die theoretischen Mo - delle für die Analyse bereitstellt. „Der Aufbau in Göttingen ist einzigartig und kann diese komplexen Bilder machen. Wir können dann erklären, was man darauf sieht“, sagt Peter Puschnig, Leiter des Forschungsteams an der Universität Graz. Der Göttinger Physiker Matthijs Jansen verdeutlicht die Bedeutung der Erkenntnis - se: „Wir haben organische Halbleiter auf Kohlenstoffbasis untersucht, die etwa in speziellen Fotovoltaik-Anlagen oder in den OLED-Bildschirmen von Smartphones Einsatz finden.“ Die Aufnahmen veranschauli - chen, wie sich das Exziton binnen Kürze auf mehrere Moleküle verteilt und innerhalb we - niger Femtosekunden (ein Millionstel einer Milliardstel Sekunde) wieder zusammenschrumpft. Puschnig betont: „Mit den Ergebnissen bestätigen wir das theoretische Modell, an dem wir an der Universität Graz arbeiten.“ Das kann beispielsweise bei der Entwick - lung neuartiger Fotovoltaik-Technologie auf organischer Basis hilfreich sein. „Wir verstehen nun besser, wie der Prozeß der Stromerzeugung mit solchen Anlagen funktioniert.“ Die Vision hinter der Forschung: Mit neuen Technologien soll mehr Strom aus dem Sonnenlicht gewonnen werden. Nächster Schritt: Videos Diese neuen Fotos der Exzitonen sind kei - neswegs der Abschluß der Forschung, sondern vielmehr der Beginn weiterer intensiver Analysen. Der nächste Schritt ist die Aufnahme von Videos des Quasi-Teilchens, sagt der Göttinger Forscher Jansen: „Wir hoffen, daß dieses Wissen dazu beitragen wird, effizientere Materialien für Solarzellen zu entwickeln.“ Auch das Grazer Team widmet sich nun verstärkt der Weiterentwicklung der zugrunde liegenden Theorie. Dafür erhielten die ForscherInnen Finanzmittel aus den ERC-Grants der EU, unter dem Titel „Orbital Cinema“. Die Forschung wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Sonderforschungsbereiche „Atomare Kontrolle der Energieumwandlung“ und „Mathematik des Experiments“ in Göttingen sowie „Spin+X“ in Kaiserslautern-Landau gefördert. n https://www.uni-graz.at/
Seite 1 und 2:
Ausg. Nr. 210 • 18. April 2024 Da
Seite 3 und 4:
ÖSTERREICH JOURNAL NR. 210 / 18. 0
Seite 5 und 6:
Seite 7 und 8:
Seite 9 und 10:
Seite 11 und 12:
Seite 13 und 14:
Seite 15 und 16:
Seite 17 und 18:
Seite 19 und 20:
Seite 21 und 22:
Seite 23 und 24:
Seite 25 und 26:
Seite 27 und 28:
Seite 29 und 30:
Seite 31 und 32:
Seite 33 und 34:
Seite 35 und 36:
Seite 37 und 38:
Foto: BKA/Florian Schrötter ÖSTER
Seite 39 und 40:
Seite 41 und 42:
Seite 43 und 44:
Seite 45 und 46:
Seite 47 und 48:
Seite 49 und 50:
Seite 51 und 52:
Seite 53 und 54:
Seite 55 und 56:
Seite 57 und 58:
Seite 59 und 60:
Seite 61 und 62:
Seite 63 und 64:
Seite 65 und 66:
Seite 67 und 68:
Seite 69 und 70:
Seite 71 und 72:
© Stadt Wien | Wirtschaft, Arbeit
Seite 73 und 74:
Seite 75 und 76:
Seite 77 und 78:
Seite 79 und 80:
Seite 81 und 82:
Seite 83 und 84:
Seite 85 und 86:
Seite 87 und 88:
Seite 89 und 90:
Seite 91 und 92:
Seite 93 und 94:
Seite 95 und 96:
Seite 97 und 98:
Seite 99 und 100:
Seite 101 und 102: ÖSTERREICH JOURNAL NR. 210 / 18. 0
Seite 151: ÖSTERREICH JOURNAL NR. 210 / 18. 0
Alle anzeigen

Ausgabe 210

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?