Kleiner als eine Münze: Forscher haben Infrarot-Spektrometer entwickelt, das auf einen kleinen Chip passt. Das nur gut einen Zentimeter große Gerät nutzt einen Wellenleiter aus winzigen Rippen, um das einfallende Licht in sein Spektrum zu zerlegen. Diese Technologie könnte es ermöglichen, die für Astronomie, Materialforschung und Lebensmittelüberwachung wichtigen Geräte künftig sogar in Handys einzubauen, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Photonics“ berichten.
Infrarot-Spektrometer gehören zu den wichtigsten Helfern der Wissenschaft. Denn mit ihnen lassen sich die Merkmale fremder Planeten und ihrer Atmosphären ermitteln, aber auch Gase in unserer Atmosphäre aufspüren oder der Reifegrad von Früchten messen. Möglich wird dies, weil das Spektrometer das Infrarotlicht in seine Wellenlängen zerlegt und so beispielweise die charakteristischen Absorptionslinien von Elementen oder Molekülen im Spektrum sichtbar macht.
Bisher allerdings sind die meisten Infrarot-Spektrometer relativ große Geräte oder sie wurden speziell für die Raumfahrt maßgeschneidert – für eine Massenfertigung wäre das zu teuer.
Wellenleiter statt beweglicher Spiegel
Doch nun haben David Pohl von der ETH Zürich und seine Kollegen ein Infrarot-Spektrometer entwickelt, das nur rund einen Zentimeter groß ist und auf einem dünnen Chip liegt. Herzstück dieses Mini-Spektrometers ist ein Wellenleiter aus Siliziumnitrid (SiN). Er besteht aus einem kammartigen Feld von parallelen, 60 Nanometer auseinanderstehenden Rippen, die das einfallende Infrarotlicht streuen und in seine Wellenlängen zerlegen.
Wie stark das Licht dabei aufgesplittet wird, lässt sich von außen über ein elektrisches Feld steuern. Das erlaubt es den Forschern, das Lichtspektrum je nach Anwendungszweck stärker oder schwächer zu streuen. „Mit unserem Spektrometer kann man im Prinzip nicht nur Infrarotlicht, sondern auch sichtbares Licht analysieren, wenn man den Lichtleiter entsprechend konfiguriert“, erläutert ETH-Forscher Marc Reig Escalé.
Auflösung bis in den Nanometerbereich
In ersten Tests erweis sich das neue Mini-Spektrometer sowohl bei Licht enger Wellenbereiche als auch beim Breitbandspektrum als einsatztauglich. Die Auflösung des Prototyps erreichte 5,5 Nanometer bei einer Wellenlänge von 1.550 Nanometern, wie die Forscher berichten. Diese Auflösung ließe sich jedoch durch künftige Erweiterungen sogar bis in den Picometerbereich erhöhen, sagen sie.
Ein weiterer Vorteil: Weil dieses Spektrometer keine beweglichen Teile besitzt – beispielsweise Spiegel wie bei herkömmlichen Geräten dieser Art – ist es sehr robust. Es muss nur einmal kalibriert werden und benötigt kaum Wartung, wie Pohl und sein Team betonen. Dadurch könnte ein solches Mini-Spektrometer unter anderem auf künftigen Raumsonden und sogar den kleinen Cubesat-Satelliten eingesetzt werden.
Einsetzbar im Weltraum – und im Handy
Theoretisch wäre das Mini-Spektrometer sogar klein genug, um in Smartphones eingebaut zu werden. Bis es aber tatsächlich in ein Handy oder ein anders elektronisches Gerät eingebaut wird, müssen die Forsche noch einige technische Weiterentwicklungen durchführen. „Im Moment messen wir das Signal mit einer externen Kamera“, erklärt Pohls Kollegin Rachel Grange. „Wenn wir ein kompaktes Gerät haben wollen, müssen wir diese also auch noch integrieren.“ (Nature Photonics, 2019; doi: 10.1038/s41566-019-0529-9)
Quelle: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)
