Graz. Ein Forscherteam um Physiker Thomas Weiss arbeitet an den Grundlagen für die Entwicklung besonders präziser Sensoren.
Sensoren sind in der modernen Technik von großer Bedeutung, da ihre Fähigkeit, auf kleinste Veränderungen zu reagieren, die Qualität und Leistungsfähigkeit zahlreicher Anwendungen bestimmt. Das gilt in ganz unterschiedlichen Bereichen – etwa bei der Gesichtserkennung am Flughafen oder bei der Identifikation von Viren. Eine aktuelle Studie des Teams um Thomas Weiss vom Institut für Physik der Universität Graz bietet nun neue Ansätze zur Optimierung solcher Systeme.
Licht liefert Informationen für Sensoren
Im Zentrum der Forschung stehen elektromagnetische Resonanzen in Nanostrukturen, die feiner als ein menschliches Haar sind. Diese Strukturen werden so konstruiert, dass sie verstärkte optische Signale erzeugen, wenn sie durch einen Laser nahe ihrer Schwingungsfrequenz angeregt werden. Diese resonante Verstärkung ermögliche es, Licht kurzzeitig in den Nanostrukturen einzuschließen, bevor es durch elektromagnetische Resonanzen emittiert wird. Dabei liefert das Licht präzise Informationen über die Umgebung der Strukturen, was Anwendungen in Bereichen wie Biomedizin und Chemie ermöglicht. So können etwa Moleküle, Gase oder Flüssigkeiten detektiert werden.
Sensoren: sensitiv und dennoch messbar
Die Physikerinnen und Physiker der Universität Graz haben nun eine neuartige Resonanz entwickelt, die sowohl hochsensitiv gegenüber Umweltveränderungen ist als auch leicht messbar bleibt. Diese Kombination aus Vorteilen war bisher nicht möglich. Die neue Klasse von Resonanzen wird als „EP-BIC“ bezeichnet und vereint die Eigenschaften von zwei bekannten Resonanztypen: außergewöhnliche Punkte (Exceptional Points, kurz EPs) und gebundene Zustände im Kontinuum (Bound States in the Continuum, BICs).
Während EPs besonders empfindlich auf kleine Veränderungen reagieren, klingen ihre Signale schnell ab und sind daher schwer messbar. BICs hingegen zerfallen langsam und sind leicht zu detektieren, reagieren jedoch weniger sensitiv auf Umweltveränderungen. Die Verschmelzung dieser beiden Resonanztypen löst die bisherigen Nachteile und eröffnet neue Möglichkeiten für die Sensorentwicklung, heißt es.
Das Forschungsteam erwartet, dass die Ergebnisse einen Einfluss auf die Weiterentwicklung fortschrittlicher Sensoren haben werden – diese könnten in Zukunft noch präziser und effizienter arbeiten und damit unterschiedliche Anwendungen verbessern. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.