Molekulares Gerät verwandelt Infrarot in sichtbares Licht
Abbildung: Künstlerische Ansicht der plasmonischen Hohlräume mit Nanopartikeln in Rillen. Die Moleküle bedecken den Goldfilm und sind zwischen der Rille und dem 150 nm grossen Nanopartikel eingeklemmt. Das interessierende Infrarotsignal kommt von der Unterseite des Substrats, während der Pumplaser, der die Energie für die Aufwärtskonversion liefert, von oben kommt. Beide werden durch den Hohlraum auf die Moleküle fokussiert und interagieren mit deren internen Schwingungen, um eine hochkonvertierte Kopie des Infrarotsignals bei sichtbaren Frequenzen (heller Fleck) zu erzeugen. Bildrechte: Nicolas Antille (http://www.nicolasantille.com)
Licht ist eine elektromagnetische Welle: Es besteht aus schwingenden elektrischen und magnetischen Feldern, die sich im Raum ausbreiten. Jede Welle ist durch ihre Frequenz gekennzeichnet, die sich auf die Anzahl der Schwingungen pro Sekunde bezieht und in Hertz (Hz) gemessen wird. Unsere Augen können Frequenzen zwischen 400 und 750 Billionen Hz (oder Terahertz, THz) wahrnehmen, die das sichtbare Spektrum definieren. Lichtsensoren in Handykameras können Frequenzen bis hinunter zu 300 THz erkennen, während Detektoren, die für Internetverbindungen über Glasfasern verwendet werden, bis zu etwa 200 THz empfindlich sind.
Bei niedrigeren Frequenzen reicht die vom Licht transportierte Energie nicht aus, um die Photorezeptoren in unseren Augen und in vielen anderen Sensoren auszulösen, was ein Problem darstellt, da bei Frequenzen unterhalb von 100 THz, dem mittleren und fernen Infrarotspektrum, eine Fülle von Informationen verfügbar ist. Ein Körper mit einer Oberflächentemperatur von 20° C sendet beispielsweise Infrarotlicht bis zu 10 THz aus, das mit Wärmebildern «gesehen» werden kann. Auch chemische und biologische Substanzen weisen im mittleren Infrarot deutliche Absorptionsbanden auf, so dass wir sie mit Hilfe der Infrarotspektroskopie aus der Ferne zerstörungsfrei identifizieren können, wofür es unzählige Anwendungen gibt.
Umwandlung von Infrarot in sichtbares Licht
Wissenschaftlerinnen der EPFL, des Wuhan Institute of Technology, der Polytechnischen Universität Valencia und von AMOLF in den Niederlanden haben nun eine neue Methode entwickelt, um infrarotes Licht zu detektieren, indem sie dessen Frequenz in diejenige des sichtbaren Lichts ändern. Das Gerät kann die «Sichtweite» allgemein verfügbarer und hochempfindlicher Detektoren für sichtbares Licht weit in den Infrarotbereich hinein erweitern. Der Durchbruch wurde in Science veröffentlicht.
Die Frequenzumwandlung ist keine leichte Aufgabe. Die Frequenz des Lichts ist eine Grundschwingung, die sich aufgrund des Energieerhaltungssatzes nicht einfach ändern lässt, indem man das Licht an einer Oberfläche reflektiert oder es durch ein Material leitet.
Die Forschenden umgingen dies, indem sie dem Infrarotlicht mit Hilfe eines Vermittlers Energie hinzufügten: winzige schwingende Moleküle. Das Infrarotlicht wird auf die Moleküle gelenkt, wo es in Schwingungsenergie umgewandelt wird. Gleichzeitig trifft ein Laserstrahl mit höherer Frequenz auf dieselben Moleküle, um die zusätzliche Energie zu liefern und die Schwingungen in sichtbares Licht umzuwandeln. Um den Umwandlungsprozess zu beschleunigen, werden die Moleküle zwischen metallischen Nanostrukturen eingebettet, die als optische Antennen fungieren und das Infrarotlicht und die Laserenergie auf die Moleküle konzentrieren.
Abbildung: Oben links: Konzept des Experiments. Das gewünschte Infrarotsignal und ein Pumplaser, der Energie liefert, werden beide auf die Moleküle fokussiert und interagieren mit ihren internen Schwingungen, um eine hochkonvertierte Kopie des Infrarotsignals bei sichtbaren Frequenzen zu erzeugen. Unten links: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Probe. Die Moleküle sind viel zu klein, um erkennbar zu sein. Sie befinden sich zwischen einer Goldnanorille und einem Goldnanopartikel, die zusammen einen plasmonischen Hohlraum bilden, der die Fokussierung aller Signale auf die Moleküle stark verbessert. Rechts: Künstlerische Darstellung der plasmonischen Hohlräume mit Nanopartikeln in Rillen, die unsichtbare Infrarotsignale in sichtbares Licht umwandeln (heller Punkt). Bildrechte: Nicolas Antille (http://www.nicolasantille.com), Wen Chen, Christophe Galland
Ein neues Licht
«Das neue Gerät hat eine Reihe attraktiver Eigenschaften», sagt Professor Christophe Galland von der EPFL-Fakultät für Grundlagenwissenschaften der die Studie leitete: «Erstens ist der Umwandlungsprozess kohärent, was bedeutet, dass alle im ursprünglichen Infrarotlicht vorhandenen Informationen getreu auf das neu erzeugte sichtbare Licht abgebildet werden. Dies ermöglicht eine hochauflösende Infrarotspektroskopie mit Standarddetektoren, wie sie in Handykameras zu finden sind. Zweitens ist jedes Bauteil nur wenige Mikrometer lang und breit, was bedeutet, dass es in grosse Pixelarrays integriert werden kann. Schliesslich ist die Methode sehr vielseitig und kann an verschiedene Frequenzen angepasst werden, indem einfach Moleküle mit unterschiedlichen Schwingungsmoden ausgewählt werden.»
«Bislang ist die Lichtumwandlungseffizienz des Geräts jedoch noch sehr gering», gibt Dr. Wen Chen, Erstautor der Arbeit, zu bedenken, «wir konzentrieren uns jetzt darauf, sie weiter zu verbessern» – ein wichtiger Schritt in Richtung kommerzielle Anwendungen.
