Neues Materialsystem zur Umwandlung und Erzeugung von Terahertz-Wellen für die Technologien von morgen entwickelt

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Terahertz-Licht liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Infrarotstrahlung und Mikrowellen.

Es birgt enormes Potenzial für die Technologien von morgen: Unter anderem könnte es die Nachfolge von 5G antreten, indem es extrem schnelle Mobilfunkverbindungen und drahtlose Netzwerke ermöglicht.

Der Engpass beim Übergang von Gigahertz- zu Terahertz-Frequenzen liegt bisher in unzureichend effizienten Quellen und Konvertern.

Ein deutsch-spanisches Forscherteam unter Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hat nun ein Materialsystem entwickelt, mit dem Terahertz-Pulse wesentlich effektiver als bisher erzeugt werden können.

Es basiert auf Graphen, also einer superdünnen Kohlenstoffschicht, die mit einer metallischen Lamellenstruktur überzogen ist.

Die Forschergruppe stellte ihre Ergebnisse in der Zeitschrift ACS Nano vor.
Bereits vor einiger Zeit konnte ein Expertenteam am HZDR-Beschleuniger ELBE zeigen, dass Graphen als Frequenzvervielfacher wirken kann: Wird der zweidimensionale Kohlenstoff mit Lichtpulsen im niedrigen Terahertz-Frequenzbereich bestrahlt, werden diese in höhere Frequenzen umgewandelt. Das Problem: Um solche Terahertz-Pulse effizient zu erzeugen, waren bisher extrem starke Eingangssignale nötig, die wiederum nur mit einem ausgewachsenen Teilchenbeschleuniger erzeugt werden konnten. “Das ist für zukünftige technische Anwendungen natürlich unpraktisch”, erklärt der Erstautor der Studie, Jan-Christoph Deinert vom Institut für Strahlenphysik am HZDR. “Deshalb haben wir nach einem Materialsystem gesucht, das auch mit einem deutlich weniger heftigen Input, also mit geringeren Feldstärken, funktioniert.”
Dazu hatten die HZDR-Wissenschaftler gemeinsam mit Kollegen des Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), des Institute of Photonic Sciences (ICFO), der Universität Bielefeld, der TU Berlin und des Mainzer Max-Planck-Instituts für Polymerforschung eine neue Idee: Die Frequenzkonversion ließe sich enorm steigern, wenn man das Graphen mit winzigen Goldlamellen beschichtet, die eine faszinierende Eigenschaft besitzen: “Sie wirken wie Antennen, die die einfallende Terahertz-Strahlung im Graphen deutlich verstärken”, erklärt Projektkoordinator Klaas-Jan Tielrooij vom ICN2. “Als Ergebnis erhalten wir sehr starke Felder dort, wo das Graphen zwischen den Lamellen exponiert ist.

Damit können wir sehr effizient Terahertz-Pulse erzeugen.”

Überraschend effektive Frequenzvervielfachung
Um die Idee zu testen, stellte das Team vom ICN2 in Barcelona Proben her: Zunächst brachten sie eine einzelne Graphenschicht auf einen Glasträger auf. Darauf dampften sie eine hauchdünne Isolierschicht aus Aluminiumoxid auf, gefolgt von einem Gitter aus Goldstreifen.

Anschließend wurden die Proben in die Terahertz-Anlage TELBE in Dresden-Rossendorf gebracht, wo sie mit Lichtpulsen im niedrigen Terahertz-Bereich (0,3 bis 0,7 THz) beschossen wurden.

Dabei analysierten die Experten mit speziellen Detektoren, wie effektiv das mit Goldlamellen beschichtete Graphen die Frequenz der einfallenden Strahlung vervielfachen kann.
“Das hat sehr gut funktioniert”, freut sich Sergey Kovalev. Er ist verantwortlich für die TELBE-Anlage am HZDR. “Im Vergleich zu unbehandeltem Graphen genügten viel schwächere Eingangssignale, um ein frequenzvervielfachtes Signal zu erzeugen.” In Zahlen ausgedrückt: Schon ein Zehntel der ursprünglich benötigten Feldstärke reichte aus, um die Frequenzvervielfachung zu beobachten.

Und bei technologisch relevanten niedrigen Feldstärken ist die Leistung der umgewandelten Terahertz-Pulse dank des neuen Materialsystems mehr als tausendfach stärker.

Das Phänomen ist umso ausgeprägter, je breiter die einzelnen Lamellen und je kleiner die freiliegenden Graphenflächen sind.

Zunächst gelang es den Experten, die eintreffenden Frequenzen zu verdreifachen. Später erreichten sie noch größere Effekte – eine Verfünffachung, Versiebenfachung und sogar Verneunfachung der Eingangsfrequenz.
Kompatibel mit Chip-Technologie
Das ist eine sehr interessante Perspektive, denn bisher benötigen Wissenschaftler große, komplexe Geräte wie Beschleuniger oder große Laser, um Terahertz-Wellen zu erzeugen.

Dank des neuen Materials könnte der Sprung von Gigahertz zu Terahertz auch mit rein elektrischen Eingangssignalen, also mit deutlich weniger Aufwand, gelingen. “Unser Graphen-basiertes Metamaterial wäre durchaus kompatibel mit der heutigen Halbleitertechnologie”, betont Deinert. “Im Prinzip könnte es in gewöhnliche Chips integriert werden.” Er und sein Team haben die Machbarkeit des neuen Verfahrens nachgewiesen – nun könnte die Umsetzung in konkrete Baugruppen möglich werden.
Die Anwendungsmöglichkeiten wären riesig: Da Terahertz-Wellen höhere Frequenzen haben als die heute genutzten Gigahertz-Mobilfunkfrequenzen, ließen sich damit deutlich mehr Daten drahtlos übertragen – aus 5G würde 6G.

Aber auch für andere Bereiche ist der Terahertz-Bereich interessant – von der Qualitätskontrolle in der Industrie über Sicherheitsscanner an Flughäfen bis hin zu vielfältigen wissenschaftlichen Anwendungen, etwa in der Materialforschung.
Referenz: “Gitter-Graphen-Metamaterial als Pl

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