Die Quanten-Schnüffelnase

Menschen erschnüffeln unterschiedliche Gerüche und Düfte durch chemische Rezep­toren in der Nase. Für den tech­nischen Nach­weis muss man auf andere Ver­fahren zurück­greifen, wie beispiels­weise Infra­rot­laser. Dabei wird ein Laser­strahl durch das Gas geschickt und ein Detektor misst, wie stark das Licht vom Gas abge­schwächt wurde. Ein winziger, neu ent­wickelter Sensor der TU Wien vereint nun beide Seiten in einem einzigen Bau­teil: Dieselbe Mikro­struktur lässt sich für das Aus­senden und das Detek­tieren der Infra­rot­strahlung ver­wenden.

„Die Laser, die wir herstellen, haben mit gewöhnlichen Laser-Pointern nicht viel zu tun“, erklärt Rolf Szedlak von der TU Wien. „Wir bauen Quanten­kaskaden­laser. Sie bestehen aus einem ausge­klügelten Schicht­system unter­schied­licher Materi­alien und emit­tieren Licht im Infra­rot­bereich.“ Legt man an dieses Schicht­system eine elek­trische Spannung an, so wandern Elek­tronen durch den Laser. Durch eine passende Aus­wahl von Materi­alien und Schicht­dicken ver­lieren die Elek­tronen immer ein biss­chen Energie, wenn sie von einer Schicht in die nächste wechseln. Diese Energie wird in Form von Licht abge­geben – es ent­steht ein Infra­rot-Laser­strahl.

„Unsere Quantenkaskadenlaser sind ringförmig, mit einem Durch­messer von weniger als einem halben Milli­meter“, sagt Gott­fried Strasser, Leiter des Zentrums für Mikro- und Nano­struk­turen an der TU Wien. „Seine geo­metri­schen Eigen­schaften tragen dazu bei, dass der Laser nur Licht einer ganz bestimm­ten, wohl­defi­nierten Wellen­länge abstrahlt.“ Für die chemische Analyse von Gasen ist das optimal, denn viele Gase absor­bieren nur ganz bestimmte Anteile des Infra­rot­lichts. Durch seinen indivi­duellen Infra­rot-Finger­ab­druck kann man ein Gas daher zuver­lässig nach­weisen.

„Unsere Mikrostruktur besitzt den großen Vorteil, Laser und Detektor in einem zu sein“, erläutert Rolf Szedlak. Zwei konzen­trische Quanten­kaskaden-Ringe wurden dafür inein­ander gepackt. Beide können je nach Betriebs­modus sowohl Licht aus­senden als auch Licht detek­tieren – und zwar bei zwei leicht unter­schied­lichen Wellen­längen. Ein Ring sendet Laser­licht aus, das durch das Gas geleitet und anschlie­ßend von einem Spiegel wieder zurück­ge­­schickt wird. Der zweite Ring nimmt dieses reflek­tierte Licht auf und misst seine Stärke. Gleich darauf tauschen die beiden Ringe ihre Rollen und die nächste Messung kann durch­ge­führt werden.

Um diesen neuartigen Sensor zu testen, stellte sich das Forschungs­team der TU Wien eine beson­ders schwie­rige Auf­gabe: Es galt, Iso­buten und Iso­botan zu unter­scheiden – zwei Mole­küle, die sehr ähn­liche chemische Eigen­schaften auf­weisen. Doch auch diese Probe bestanden die Mikro-Sensoren exzel­lent und die beiden Gase konnten zuver­lässig identi­fiziert werden.

„Wenn Laser und Detektor vereint werden, hat das viele Vorteile“, erklärt Strasser. „Auf diese Weise können extrem kompakte Sensoren gebaut werden. Denkbar ist sogar, ein ganzes Array auf einem einzigen Chip unter­zu­bringen und mit mehreren unter­schied­lichen Wellen­längen gleich­zeitig zu arbeiten.“ Anwen­dungs­mög­lich­keiten gibt es viele – etwa in der Umwelt­ana­lytik oder Medizin.

TUW / RK