Molekularer Lichttransformator: Sehen, was man vorher nicht sehen konnte

Forscher mehrerer europäischer Universitäten und des chinesischen Wuhan Institute of Technology haben eine neue Methode entwickelt, um Licht im tiefen Infrarotbereich zu erkennen, indem sie dessen Frequenz in die des sichtbaren Lichts umwandeln. Das Gerät kann den "Sichtbereich" empfindlicher Detektoren für sichtbares Licht bis in den Infrarotbereich erweitern. Die als bahnbrechend bezeichnete Entdeckung wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Die Frequenzumstellung ist keine leichte Aufgabe. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes ist die Frequenz des Lichts eine grundlegende Eigenschaft, die sich nicht ohne Weiteres ändern lässt, indem man das Licht an einer Oberfläche reflektiert oder es durch ein Material leitet. Bei niedrigeren Frequenzen reicht die vom Licht transportierte Energie nicht aus, um die Photorezeptoren in unseren Augen und in vielen Sensoren zu aktivieren, was ein Problem darstellt, da sich vieles im Frequenzbereich unterhalb von 100 THz abspielt, d. h. im mittleren und fernen Infrarot. Ein Körper mit einer Oberflächentemperatur von 20 °C sendet beispielsweise Infrarotlicht mit Frequenzen von bis zu 10 THz aus, das mit Hilfe der Wärmebildtechnik "gesehen" werden kann. Darüber hinaus haben chemische und biologische Substanzen ausgeprägte Absorptionsbanden im mittleren Infrarotbereich, was bedeutet, dass wir sie mit Hilfe der Infrarotspektroskopie zerstörungsfrei identifizieren können.

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Wissenschaftler haben dieses Problem gelöst, indem sie dem Infrarotlicht mit Hilfe eines Zwischenmediums - kleinen schwingenden Teilchen - Energie hinzugefügt haben. Das Infrarotlicht wird auf die Moleküle gerichtet, wo es in Schwingungsenergie umgewandelt wird. Gleichzeitig werden dieselben Moleküle von einem höherfrequenten  Laserstrahl beeinflusst, der zusätzliche Energie liefert und die Schwingungen in sichtbares Licht umwandelt. Um den Umwandlungsprozess zu verbessern, werden die Moleküle zwischen metallischen Nanostrukturen eingebettet, die als optische Antennen fungieren und Infrarotlicht und Laserenergie auf die Moleküle fokussieren.