Ein neuartiges Gerät zur Messung eines Lichtspektrums ist so winzig, dass es auf eine menschliche Fingerspitze passt. Das eigentliche Spektrometer - ohne den zugehörigen Mikrochip - ist mit einer Grundfläche von 22 mal 8 Mikrometern (Tausendstel Millimetern) sogar noch viel winziger. Dennoch kann es die Intensität verschiedener Wellenlängen und damit Farben mit einer ähnlichen Genauigkeit und Auflösung darstellen wie tischgroße Laborgeräte.
Solche Mini-Spektrometer könnten für medizinische Zwecke und für das Erkennen von Umweltverschmutzung eingesetzt werden, ebenso für die Verbesserung von Smartphone-Kameras, schreibt eine Gruppe um Hoon Hahn Yoon von der finnischen Universität Aalto in der Fachzeitschrift "Science".
Klassische Spektrometer benötigen ein Prisma oder ein Beugungsgitter, um das Licht zu einem Spektrum aufzufächern. "Wir haben dieses optoelektronische Lab-on-a-Chip entwickelt, bei dem künstliche Intelligenz herkömmliche Hardware wie optische und mechanische Komponenten ersetzt", wird Yoon in einer Mitteilung seiner Universität zitiert. Durch die Verwendung künstlicher Intelligenz (KI) ist für die Anwendung des Geräts ein Lernprozess notwendig. Dieser entspricht etwa der Kalibrierung klassischer Spektrometer.
Neue Erkenntnisse zu Halbleitern
Ermöglicht wurde der Fortschritt durch neue Erkenntnisse zu Halbleitern. Die Forscher verwendeten dafür zwei verschiedene Materialien, Molybdän-Disulfid und Wolfram-Diselenid, die in extrem dünnen Schichten aufeinander liegen. Der Übergang zwischen den beiden Materialien sorgt dafür, dass sich bei angelegter Spannung die messbare Stromstärke je nach Intensität einzelner Wellenlängen des einfallenden Lichts verändert.
Durch Veränderung der angelegten Spannung können die einzelnen Wellenlängen mit einer hohen Auflösung nacheinander gemessen werden. Mit Hilfe der KI wird das Messergebnis ausgewertet und ein Spektrum erstellt.
Weil das Mini-Spektrometer vollständig elektrisch kontrollierbar ist, könne es in elektronische Schaltkreise integriert werden, betonen die Wissenschaftler. "Die direkte Integration in tragbare Geräte, wie Smartphones und Drohnen, könnte unser tägliches Leben voranbringen", sagt Yoon. So könnten etwa Hobby-Geologen Edelsteine identifizieren, indem sie das von ihnen absorbierte Lichtspektrum messen, sagt Ko-Autor Ethan Minot von der Oregon State University in Corvallis.
Satellitenbau dürfte von der Forschung profitieren
Minot nennt eine weitere Anwendungsmöglichkeit: "Wenn Sie sich für Astronomie interessieren, könnten Sie das Lichtspektrum messen, das Sie mit Ihrem Teleskop sammeln, und anhand dieser Informationen einen Stern oder Planeten identifizieren." Auch der Satellitenbau dürfte von der Entwicklung profitieren.
Da bei einem Satelliten jedes Gramm Gewicht zählt, könnten herkömmliche Spektrometer durch ebenso gute Mini-Spektrometer ersetzt werden. Dafür müsste das Gerät zwar noch verbessert werden, doch die Forscher zeigen bereits in der Studie, wie dies möglich wäre.
In einem "Science"-Kommentar schreiben Jorge Quereda von der Universidad Complutense und Andres Castellanos-Gomez von der Materials Science Factory, beide in Madrid, die Auflösung des Mini-Spektrometers von drei Nanometern (Millionstel Millimetern) sei vergleichbar mit Standard-Tischspektrometern und für Geräte dieser Größe beispiellos. Mit günstigen und kleinen Spektrometern könne man etwa gefälschte Arzneimittel und Banknoten erkennen, erläutern sie.
