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Elektronische Fingerabdruck Spektroskopie (ELFIS) nennt sich das neue Messverfahren, das Birgitta Schultze-Bernhardt nun im Rahmen des START-Programms des Fonds zur Förderung wissenschaftlicher Forschung (FWF) weiterentwickeln möchte. Ziel ist es, lichtinduzierte chemische Reaktionen zu untersuchen, die zum Beispiel durch das ultraviolette Licht der Sonne in atmosphärischen Spurengasen ausgelöst werden. Das Verständnis über photochemische Prozesse in der Atmosphäre kann die Grundlage sein für erfolgreiche Maßnahmen gegen den Klimawandel.
Erfassen des spektralen Fingerabdrucks
Herzstück von ELFIS ist die Kombination zweier sogenannter Frequenzkämme. Ein optischer Frequenzkamm entsteht, wenn ein Laser (meist im Infrarotbereich arbeitend) in konstanten Abständen ultrakurze Laserpulse mit gleichzeitig unterschiedlichen Farbfrequenzen emittiert. Optisch ähnelt dieses Bild einem Kamm – jeder Zinken steht für eine optische Frequenz. Daher der Name „Frequenzkamm“. Erfunden wurde dieses Werkzeug von Theodor Hänsch, der dafür 2005 den Nobelpreis für Physik erhielt. Hänsch war Birgitta Schultze-Bernhardts Doktorvater und langjähriger Wegbegleiter am Max-Planck-Institut für Quantenoptik, wo Schultze-Bernhardt sich von 2006 bis 2012 intensiv mit der Dualkamm-Spektroskopie beschäftigte. Bei diesem spektroskopischen Verfahren werden die Frequenzkämme durch eine Materialprobe geschickt; die Moleküle im Inneren des Materials absorbieren die Frequenzkammzinken unterschiedlich stark. Das Ergebnis ist eine Art Fingerabdruck, der Aufschluss gibt über die chemischen Komponenten der Probe und ihre optischen Eigenschaften. Die Dualkamm-Spektroskopie wächst gerade zu einem der populärsten Lasermessverfahren heran, weil sich damit die Schwingungen und Rotationen der Moleküle im infraroten Spektralbereich gut messen lassen.
Umwandlung von infrarotem Licht in UV-Licht
ELFIS soll solche Beobachtungen zukünftig auch im UV-Bereich möglich machen, da die Frequenzen in diesem Spektrum nicht nur Molekülschwingungen, sondern auch Elektronen anregen. „Und Elektronen sind maßgebend für jede chemische Bindung“, erklärt Schultze-Bernhardt. Allerdings bräuchte es für solche Untersuchungen einen Laser, der direkt im UV-Bereich emittiert und den gibt es noch nicht. „Wir behelfen uns daher mit lichtlinearen Prozessen, um das Licht einer besonders starken Laserquelle in diesen hochenergetischen Bereich zu verschieben und zwei UV-Frequenzkämme zu erzeugen. Mit anderen Worten: Wir wandeln infrarotes Licht in ultraviolettes Licht um“, so Schultze-Bernhardt. Erste Versuche dazu waren bereits erfolgreich.
Schrittweise ans Ziel
Die Spitzenforscherin, die seit Mai 2019 am Institut für Experimentalphysik sowie am Institut für Materialphysik der TU Graz forscht und zuvor die Nachwuchsgruppe „Ultraviolette Dualkammspektroskopie“ am Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena leitete, möchte mit Hilfe des START-Preises nun Schritt für Schritt den UV-Bereich „erobern“.
In einer ersten Phase wird gerade ein Spektrometer entwickelt, das im sichtbaren (grünen) Spektralbereich funktioniert und Spurengase wie Stickstoffdioxid erfassen kann. Schon innerhalb eines Jahres könnte schließlich ein Spektrometer im nahen UV-Spektralbereich realistisch sein. Am Ende des Stufenplans erhofft sich Schultze-Bernhardt ein Spektrometer, „mit dem wir lichtinduzierte Prozesse in einem breiten Spektralbereich, in Echtzeit mit gleichzeitig hoher spektraler und hoher zeitlicher Auflösung ansehen können.“
Dieser Forschungsbereich ist im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf Stärkefeldern an der TU Graz.
Kurzbiografie Birgitta Schultze-Bernhardt
Birgitta Schultze-Bernhardt (geboren 1981 in Erlangen, Deutschland) ist Forscherin am Institut für Experimentalphysik sowie am Institut für Materialphysik der TU Graz. Sie ist Teil des 3-jährigen Leading Women Programms an der TU Graz – einer Karriereinitiative, die Dozentinnen der TU Graz auf zukünftige Führungspositionen im Universitätsmanagement vorbereitet. Schultze-Bernhardt beschäftigt sich intensiv mit Lasertechnologien zur Messung lichtinduzierter Prozesse und hat an der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität in München und am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching unter Physik-Nobelpreisträger Theodor W. Hänsch promoviert.
Ein Interview mit START-Preisträgerin Birgitta Schultze-Bernhardt findet sich in scilog – dem Magazin des Wissenschaftsfonds FWF.
