Zu den höchstdotierten Wissenschaftspreisen Europas zählen die ERC-Starting-Grants des European Research Council (ERC). Über einen solchen Preis, dotiert mit über einer Million Euro, kann sich nun Benedikt Schwarz von der TU Wien freuen. Mit großen Fortschritten bei kompakten Lasertechnologien am Institut für Festkörperelektronik (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) sorgte er schon in den letzten Jahren mit für Aufsehen. Mit dem ERC-Grant möchte er nun in den nächsten fünf Jahren einen kompakten, tragbaren, energiesparenden Lasersensor entwickeln, mit dem man verschiedene chemische Substanzen nachweisen kann. So sollen Messgeräte in Handy-Größe möglich werden, mit denen man Umweltschadstoffe nachweisen oder sogar Krankheiten diagnostizieren kann.

Sensortechnik für die Hosentasche

Ein einfacher Laserpointer strahlt Licht einer ganz bestimmten Frequenz ab, doch es gibt auch kompliziertere Laser, die viele unterschiedliche Lichtfrequenzen erzeugen. „In unserer Forschungsgruppe arbeiten wir mit Frequenzkämmen – das ist Laserlicht, das sich aus hunderten verschiedenen Frequenzen zusammensetzt. So wie der Abstand zwischen den Zähnen eines Kamms immer gleich ist, ist auch der Abstand zwischen zwei benachbarten Frequenzen des Laserlichts immer gleich“, erklärt Benedikt Schwarz.
Frequenzkämme sind nicht ganz neu: 2005 erhielt Theodor Hänsch für diese Erfindung den Nobelpreis. Doch diese ersten Frequenzkämme ließen sich nur mit großem, kompliziertem Labor-Equipment erzeugen. „Unser Ziel ist es, diese Frequenzkämme mit einer ganz anderen, viel kompakteren Technik herzustellen und daraus eine Sensortechnologie zu entwickeln, die sich auf einem wenige Millimeter großen Chip integrieren lässt.“

Schon in seiner Dissertation legte Schwarz wichtige Grundsteine für miniaturisierte Sensoren. Seit zwei Jahren forscht sein Team an neuen miniaturisierbaren Frequenzkammtechnologien und publiziert in angesehenen Fachjournalen wie „Nature Photonics“ und „Optica“. Die im Juni 2019 vorgestellte Frequenzkammtechnologie kommt ohne bewegliche Spiegel oder andere mechanische Teile aus, sie lässt sich auf einer Größe von wenigen Millimetern unterbringen und benötigt mit nur 1–2 Watt auch deutlich weniger elektrische Leistung als bisherige Systeme, die aufwändig gekühlt werden mussten.

Der Laserstrahl in der Gasprobe

Das soll nun neue chemische Sensoren ermöglichen: „Wir verwenden zwei Frequenzkämme gleichzeitig, mit geringfügig unterschiedlichen Abständen zwischen den einzelnen Frequenzen“, erklärt Benedikt Schwarz. „An einem Detektor überlagern sich diese Frequenzen miteinander und erzeugen dadurch ein charakteristisches Signal, das wir messen können.“ Wenn nun aber der Laserstrahl durch eine Gasprobe gelenkt wird, dann können die Moleküle des Gases ganz bestimmte Frequenzen absorbieren. Je nachdem um welches Gas es sich handelt, werden unterschiedliche Frequenzen unterschiedlich stark abgedämpft. Dadurch ändert sich auch das Signal am Detektor, und so lässt sich ermitteln, welche Molekülsorten in der Gasprobe vorhanden waren.

Die Liste der möglichen Anwendungen für eine solche Technik ist lang – vom Nachweis von Umweltschadstoffen bis hin zur Medizin: „Wir wissen heute, dass man sogar Krankheiten bis hin zu Krebs anhand der Atemluft erkennen kann“, sagt Benedikt Schwarz. „Bis zu einem einfachen, kompakten Messgerät, in das man nur hineinatmen muss um wichtige Diagnosen zu bekommen, ist der Weg zwar noch weit, aber es wäre zweifellos ein gewaltiger Durchbruch in der Medizin. Wir wollen in den nächsten Jahren die Laser- und Sensortechnik so weit verbessern, dass wir am Ende unseres Projektes bereits einen fertigen Prototyp haben, mit dem man dann die medizinische Forschung unterstützen kann.“

Benedikt Schwarz

Benedikt Schwarz wuchs in Tirol auf. 2007 begann er mit seinem Elektrotechnik-Studium an der TU Wien und schloss nach vier Jahren mit einem Master in Mikroelektronik ab. Am Institut für Festkörperelektronik promovierte er 2015. Als Visiting Researcher ging er dann 2015 an die Harvard University in den USA, wo er seither als Accociate Researcher aktiv ist. Parallel dazu startete Schwarz 2016 sein eigenes Forschungsprojekt an der TU Wien, finanziert vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF.
Seine wissenschaftlichen Leistungen wurden bereits mit zahlreichen Preisen ausgezeichnet, unter anderem den Würdigungspreis des BMWF, dem Photonics21 Student Innovation Award, dem INiTS Award und dem FACSS Innovation Award. Nun kommt mit dem ERC-Grant eine ganz besonders hoch dotierte Auszeichnung hinzu.

Der ERC-Starting-Grant ermöglicht Benedikt Schwarz, seine Forschungsaktivität an der TU Wien deutlich auszubauen: Die Förderung ist dafür gedacht, jungen Forscherinnen und Forschern den Aufbau einer eigenen europäischen Spitzenforschungsgruppe zu ermöglichen.

Relevante Originalpublikationen

B. Schwarz et al. Optica 6, 890 (2019) , öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster
J. Hillbrand et al. Nature Photonics 13 , 101 (2019) , öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Kontakt

Dr. Benedikt Schwarz
Institut für Festkörperelektronik
Technische Universität Wien
Gußhausstraße 25, 1040 Wien
Telefon: +43 1 58801 36214
E-Mail: benedikt.schwarz@tuwien.ac.at

Aussender

Dr. Florian Aigner
PR und Marketing
Technische Universität Wien
Resselgasse 3, 1040 Wien
Telefon: +43 1 58801 41027
E-Mail: florian.aigner@tuwien.ac.at