Der Elektrotechniker Benedikt Schwarz will einen kompakten, tragbaren, energiesparenden Lasersensor entwickeln. Davon könnten Umwelttechnik und Medizin profitieren.
Intelligente Sensoren sind mittlerweile ein fester Bestandteil unserer technisierten Alltagswelt. Seien es Parksensoren von Autos oder Fotozellen in einem Aufzug. Sie werden aber ebenso bei weniger alltäglichen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise beim Messen von Abgasen des Straßenverkehrs oder beim Überprüfen chemischer Substanzen von Medikamenten in der Pharmaindustrie.
„Für das Messen von Gasen oder chemischen Stoffen auf Basis von Lasertechnologie gibt es bereits Sensoren“, sagt Benedikt Schwarz. Das Problem sei, dass die Messanlagen sehr unhandlich und kostspielig seien. Mit einem ERC-Starting-Grant, einer mit mehr als einer Million Euro dotierten Förderung des Europäischen Forschungsrats, baut der 33-jährige Wissenschaftler seine Forschungsgruppe an der TU Wien weiter aus. Ziel ist es, einen optischen Sensor mit dem Laser und all seinen Teilen auf einem millimetergroßen Chip unterzubringen. Dadurch könnte ein Messsystem in der Größe eines Smartphones mit geringen Kosten realisiert werden.
Ein Kamm aus Frequenzen
Grundlage für das Herstellen und Erforschen dieses Sensors ist die Kombination von sogenannten Interbandkaskaden-Lasern und Frequenzkämmen. Der Vorteil von Ersteren ist, dass sie mit nur einigen Watt Leistung auskommen und deshalb als mobile und batteriebetriebene Messsysteme eingesetzt werden könnten. Sie arbeiten im mittleren Infrarotbereich. „Bei Frequenzkämmen handelt es sich um Laserlicht, das sich aus Hunderten verschiedenen Frequenzen zusammensetzt. So wie der Abstand zwischen den Zähnen eines Kamms gleich ist, ist auch der Abstand zwischen zwei benachbarten Frequenzen des Laserlichts immer gleich“, erklärt Schwarz. Die Eigenschaften der „Zwei-Kamm-Spektroskopie“ ermöglichen es, ganz ohne bewegliche Teile – wie beispielsweise Spiegel, die zum Umlenken des Laserlichts bei herkömmlichen Systemen notwendig sind – auszukommen. Das Anwenden der Frequenzkammtechnologie ist der Knackpunkt, um alles auf einem Chip unterzubringen.
Die elektronischen Bauteile werden am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen an der TU Wien hergestellt. Hier wird mit speziellen Filteranlagen eine staubfreie Umgebung und damit ein „Reinraum“ geschaffen. Die Forscher arbeiten deshalb auch in Schutzanzügen. „Kleinste Staubpartikel können bereits größer als unsere Komponenten sein“, erklärt Schwarz diese Maßnahmen. Interbandkaskaden-Laser werden mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt: Bei diesem Verfahren entstehen in einem Ultra-Hochvakuum aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien künstliche kristalline Schichten. Die elektronischen Bauteile sind zum Teil so klein, dass mit Pinzetten gearbeitet wird. „Am fertigen Lasersensor messen wir dann, ob es sich um einen Frequenzkamm handelt und wie effizient elektrischer Strom in Licht umgewandelt wird“, so Schwarz. Spannend sei dann immer, ob sich die Ergebnisse mit den theoretischen Berechnungen decken.
In der Anfangsphase will er sich nun auf chemische Stoffe in Flüssigkeiten konzentrieren, weil die Moleküle in flüssigen Medien dichter und deshalb einfacher zu detektieren seien. Längerfristig liege der Fokus aber im Messen von Gasen, um beispielsweise schadhafte Emissionen in der Luft zu detektieren. Als visionärer Ausblick könnten mit diesen Sensoren künftig auch in der Medizin durch Atemgasanalyse Krankheiten wie Diabetes oder Krebs erkannt werden.
Zur Elektrotechnik hat es den gebürtigen Tiroler schon als Jugendlichen gezogen. Wenn im elterlichen Haushalt ein elektrisches Gerät den Geist aufgab, freute er sich, es zerlegen und dessen Wirkungsweise erforschen zu können. Er findet es nach wie vor faszinierend, dass Strom fließt, dabei so viel bewirkt und vollkommen unsichtbar ist. In seiner Freizeit reist er und klettert gern in den heimatlichen Bergen. Manchmal stelle er sich auch in die Küche, um mediterrane Speisen zuzubereiten – und zwar durchaus ambitioniert: „Die Rezepte können gern auch etwas anspruchsvoller sein.“
Zur Person
Benedikt Schwarz (33) schloss das Bachelor- und Masterstudium für Mikroelektronik 2011 an der TU Wien ab. 2015 promovierte er am Institut für Festkörperelektronik. Anschließend ging er als Visiting Researcher an die Harvard University und ist seitdem dort und an der TU Wien aktiv. Er wurde mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet, u. a. mit dem Würdigungspreis des Wissenschaftsministeriums.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 25.01.2020)