Licht messen mit Graphen
Die Elektrotechnikerin Simone Schuler entwickelte Sensoren, die einen schnelleren Datentransfer ermöglichen. Dafür bekam sie den Hannspeter-Winter-Preis der TU Wien.
Graphen ist faszinierend“, sagt Simone Schuler. „Wie das Grafit in einer Bleistiftmine besteht es aus ganz einfachen Kohlenstoffmolekülen, ist aber im Gegensatz dazu nur eine einzige Atomlage dick, sprich ultradünn. Daher hat es ganz außergewöhnliche Eigenschaften.“Es ist stabil, aber zugleich so biegsam, dass es sich „quasi wie ein Blatt Papier über Strukturen legen lässt“. Außerdem kann es Licht in einem sehr breiten Bereich des Spektrums absorbieren und blitzschnell in elektrische Signale umwandeln. „Das macht Graphen interessant für zahlreiche sensorenbasierte Anwendungen von der Biotechnik und Lebensmittelanalyse bis zur Mikroelektronik und Datenkommunikation.“
Vorzüge des Materials nutzen
In ihrer Dissertation an der Technischen Universität (TU) Wien hat Schuler das Nanomaterial zur Entwicklung neuartiger Photodetektoren verwendet. Das sind Lichtsensoren. In der Informationstechnologie dienen sie dazu, die optischen Lichtsignale, die zur Datenübertragung durch Glasfaserkabel geleitet werden, für den Computer in elektrische Impulse zu übersetzen. Praktisch die Voraussetzung, um Mails zu versenden, im Internet zu surfen oder in einer App etwas abzufragen. „Bei der Geschwindigkeit stoßen wir aber aufgrund der immer größer werdenden Datenmengen mit der gängigen Technologie bald an unsere Grenzen.“
Schuler konnte in Experimenten zeigen, dass die Lichtumwandlung durch Graphen so schnell wie bei keinem anderen in der Photonik verwendeten Material abläuft. Sie hat mehrere technische Lösungen für Photodetektoren entwickelt, die die Vorzüge von Graphen optimal nutzen. Zum Beispiel, indem Licht durch einen ringförmigen Lichtwellenleiter geschickt wird, auf dem die Graphenfläche direkt aufliegt. Wenn es dort viele Male im Kreis läuft, koppelt es stark an das Graphen. Dadurch werden selbst kleine Lichtimpulse in ein messbares elektrisches Signal transformiert.
Damit auf diese Weise auch weniger starke Signale gut erfasst werden können, hat sich Schuler zusätzlich einen Effekt zunutze gemacht, bei dem ihre Detektoren keine Spannung benötigen. „Das von einer angelegten Spannung erzeugte Rauschen würde ihnen das Auslesen schwacher Signale nämlich erschweren“, erklärt sie. „Beim Entwerfen von Verbesserungen ist es wichtig, die maßgeblichen Umwandlungsprozesse genau zu verstehen.“
Nach ihrer Promotion hat sie als Postdoc in Cambridge noch weiter daran geforscht. Die TU Wien, an der Schuler Elektrotechnik studiert hat, zeichnete sie Ende 2019 mit dem Hannspeter-Winter-Preis für herausragende Dissertationen aus. Corona hat die Verleihung bis in den Herbst verzögert. „Neben der Freude über die Anerkennung finde ich auch die Verbindung zum Namensgeber des Preises schön“, sagt die 32-Jährige. „Professor Winter hat sich ja mit Oberflächenphysik beschäftigt, und Graphen besteht gewissermaßen nur aus seiner Oberfläche.“
Naturwissenschaften haben sie von klein auf interessiert, erzählt sie. Ihrem heutigen Fach begegnete sie erstmals in der Hauptschule bei beruflichen Schnuppertagen. „In einer Elektrotechnikfirma sollten wir eine Schaltung aufbauen, und es hat mich sofort gereizt herauszufinden, wie das System die Leuchtdiode zum Leuchten bringt.“Sie besuchte dann eine HTL für Elektro- und Informationstechnik, und der anhaltende Wunsch, „tiefer in die Materie einzutauchen“, führte sie schließlich an die TU Wien.
Trotz Begeisterung und Erfolg ist sie der Wissenschaft nicht erhalten geblieben. „Die Entscheidung, diese zu verlassen, war keine einfache. Forscher zu sein ist ein Privileg.“Dennoch habe sie für sich „keine vernünftige Perspektive“gesehen, so die Vorarlbergerin, die privat gern mountainbikt und handarbeitet. „Permanente Forschungsstellen sind sel
ten, und man muss immer dort hinziehen, wo sich eine Gelegenheit bietet, also das Privatleben hintanstellen.“Nun arbeitet sie in der Industrie. „Da fühle ich mich wohl, denn auch hier gibt es tolle Herausforderungen.“Ihre Forschungserfahrung komme ihr nach wie vor zugute. „Sie hat entscheidend geprägt, wie ich an Aufgaben herangehe.“
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Graphen absorbiert Licht in einem großen Bereich des Spektrums. Auch Infrarotlicht, das für Internetverbindungen verwendet wird.