Quan­ten­in­spi­rier­te Tera­hertz-Spek­tro­sko­pie mit sicht­ba­ren Photonen

Ohne eige­ne Grund­la­gen­for­schung kom­men auch die anwen­dungs­ori­en­tier­ten Insti­tu­te der Fraun­ho­fer-Gesell­schaft nicht aus. Das Fraun­ho­fer-Insti­tut für Tech­no- und Wirt­schafts­ma­the­ma­tik ITWM in Kai­sers­lau­tern beschäf­tigt sich bei­spiels­wei­se mit der Detek­ti­on von Tera­hertz-Wel­len auf Basis neu­er quan­ten­op­ti­scher Metho­den. Bereits vor einem Jahr berich­te­te die renom­mier­te Fach­zeit­schrift »Sci­ence Advan­ces« über ers­te Erfol­ge. Nun gelang der nächs­te Meilenstein.

Ein­ge­bet­tet in das Leit­pro­jekt QUILT (Quan­tum Methods for Advan­ced Ima­ging Solu­ti­ons) arbei­ten meh­re­re Fraun­ho­fer-Insti­tu­te an quan­ten­ba­sier­ten Mess­sys­te­men für ver­schie­de­ne Spek­tral­be­rei­che. Dabei nut­zen sie die Eigen­schaf­ten kor­re­lier­ter Pho­to­nen im noch jun­gen For­schungs­ge­biet der Quan­ten­sen­so­rik. Denn trotz der ste­ti­gen Wei­ter­ent­wick­lung der Tera­hertz-Tech­no­lo­gie in den letz­ten Jah­ren ist eine Detek­ti­on in die­sem Spek­tral­be­reich ohne Küh­lung oder teu­re gepuls­te Laser wei­ter­hin eine gro­ße tech­ni­sche Her­aus­for­de­rung. Für den sicht­ba­ren Spek­tral­be­reich hin­ge­gen tra­gen wir hoch­auf­lö­sen­de Detek­to­ren bei­na­he täg­lich – in Form von Smart­pho­nes – in unse­ren Taschen mit uns herum.

Abhil­fe kann hier ein neu­es Mess­ver­fah­ren schaf­fen: Mit­hil­fe quan­ten­op­ti­scher Metho­den las­sen sich die Eigen­schaf­ten von Pho­to­nen (Licht­teil­chen) im Tera­hertz-Spek­tral­be­reich auf die leich­ter zu detek­tie­ren­den sicht­ba­ren Pho­to­nen über­tra­gen. Das phy­si­ka­li­sche Prin­zip dahin­ter ist, dass Paa­re von kor­re­lier­ten Pho­to­nen unter­schied­li­cher Wel­len­län­gen in einem nicht­li­nea­ren Kris­tall erzeugt wer­den – in die­sem Fall eines davon im sicht­ba­ren und eines im Tera­hertz-Spek­tral­be­reich. Anschlie­ßend wer­den die­se Pho­to­nen zunächst getrennt und dann wie­der geschickt über­la­gert, wobei die Tera­hertz-Pho­to­nen ihre Eigen­schaf­ten auf die sicht­ba­ren Pho­to­nen übertragen.
Kom­men die Tera­hertz-Pho­to­nen in der Zwi­schen­zeit mit einer Pro­be in Kon­takt, so geben sie auch die gesam­mel­ten Infor­ma­tio­nen über die Pro­be wei­ter. Die­se Metho­de hat den Vor­teil, dass bereits hoch­ent­wi­ckel­te Detek­to­ren genutzt wer­den kön­nen, um die über die Tera­hertz-Pho­to­nen erhal­te­nen Infor­ma­tio­nen zu finden.

Die Kai­sers­lau­te­rer For­scher konn­ten die­se soge­nann­te Quan­ten­in­ter­fe­renz im Tera­hertz-Spek­tral­be­reich mit­hil­fe sicht­ba­rer Pho­to­nen bereits vor einem Jahr beob­ach­ten und damit erst­ma­lig auch die Mes­sung von Schicht­di­cken demons­trie­ren. Nun gelang es ihnen – auf­bau­end auf den bis­he­ri­gen Erkennt­nis­sen – die­se Mess­me­tho­de auch für spek­tro­sko­pi­sche Unter­su­chun­gen zu nut­zen und in Wachs­plat­ten ver­bor­ge­ne Inhalts­stof­fe bestimmen.
Hier­zu stell­ten sie unter kon­trol­lier­ten Bedin­gun­gen Wachs­plat­ten mit unter­schied­li­chen Kon­zen­tra­tio­nen von α‑Lactose Mono­hy­drat und Para-Ami­no­ben­zoik­säu­re als Zusatz­stof­fe her. Anschlie­ßend wur­den die­se in den Teil des Strah­len­gangs plat­ziert, der nur von den Tera­hertz-Pho­to­nen durch­strahlt wird. Durch Mes­sung der sicht­ba­ren Pho­to­nen war es damit mög­lich, Art und Men­ge des Zusatz­stof­fes zu bestim­men – ohne die Tera­hertz-Strah­lung selbst detek­tie­ren zu müssen.