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© Jurgen M Schulter dresden luftfoto Markt | 10 November 2022

Metamaterialien für die Terahertz-Ära

Ein internationales Forschungsteam hat einen Weg gefunden, Terahertz-Strahlung durch Frequenzumwandlung mit deutlich höherer Effizienz zu erzeugen als mit bisherigen Technologien. Ein speziell konstruiertes Quantenmaterialsystem dient dabei als hocheffizienter Frequenzvervielfacher.

Partner im Forschungsteam sind das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, des Katalanische Institut für Nanowissenschaften und Nanotechnologie und die Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

Mögliche Anwendungen reichten bis hin zum Mobilfunk der 6. Generation (6G), wie das Autorenteam in der Fachzeitschrift Light: Science & Applications berichtet. Terahertz-Wellen sind hochfrequente elektromagnetische Wellen zwischen dem Mikrowellen- und Infrarotbereich. Zukünftig könnten sie optoelektronische Anwendungen beschleunigen und in der Kommunikation heutige Gigahertz-Technologien ablösen. Mit tausendfach höheren Taktraten erlaubt der Terahertz-Bereich einen extrem schnellen Datentransfer und könnte eine Basis für 6G-Mobilfunknetze bieten, heißt es weiter. Bis dahin seien jedoch noch technologische Hürden zu überwinden. Der Terahertz-Bereich ist noch nicht ausreichend erforscht. Passende Bauteile fehlen, viele Systeme lassen sich in ihrer jetzigen Form nur in speziellen Laboren und in Kombination mit Hochleistungslasern nutzen. Die Forscher suchen daher nach praxisnäheren Lösungen.

„Terahertz-Anregungen sind genau der Grenzbereich ultraschneller Elektronik, in dem viele noch wenig erforschte Quantenphänomene relevant werden. Für neue optoelektronische Bauteile müssen wir erst herausfinden, welche Materialien und Methoden sich überhaupt eignen“, sagt Dr. Sergey Kovalev, Gruppenleiter an der Terahertz-Quelle TELBE am Institut für Strahlenphysik des HZDR.

Die TELBE-Quelle ist speziell dafür ausgelegt, neue Materialien und ihre Wechselwirkungen mit intensiven Terahertz-Pulsen zu erforschen. Besonders vielversprechend seien dabei bestimmte Quantenmaterialien, die als eine Art Frequenz-Booster eingesetzt werden könnten, um elektronisch erzeugte Gigahertz-Strahlung in den benachbarten Terahertz-Bereich zu konvertieren. Möglich mache dies eine hocheffiziente, nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Materie.

Mit einem neuen Materialsystem ist es dem Forschungsteam nun gelungen, einen signifikanten Anteil der intensiven Gigahertz-Strahlung – die eintreffende Strahlung hatte eine Frequenz von 500 Gigahertz (GHz) – in den Terahertz-Bereich umzuwandeln. Dafür kombinierten sie einen sogenannten topologischen Isolator mit einer zusätzlichen Goldlamellen-Beschichtung zu einem Metamaterial, also einem gezielt strukturierten Werkstoff, der sich durch besondere optische, elektrische oder magnetische Eigenschaften auszeichnet. Dadurch erreichten sie eine Umwandlungseffizienz von fast 10 Prozent der elektrischen Feldstärke anstelle von zuvor rund einem Prozent.

„Begonnen haben wir ursprünglich mit Graphen, weil es eine besondere elektronische Struktur hat, in der man Elektronen sehr effizient beschleunigen kann. Wir haben aber gesehen, dass Graphen bei hohen Intensitäten an eine Grenze stößt“, so Dr. Jan-Christoph Deinert, Koautor der Studie und mitverantwortlich für die Terahertz-Quelle TELBE. 

Das ultradünne Graphen besteht aus einer einzelnen Lage Kohlenstoffatome. Trifft ein Giga- oder Terahertz-Puls auf das Material, heizt sich das Elektronensystem sofort auf mehrere tausend Grad Celsius auf. In diesem heißen Zustand wird Graphen aber transparent für die eintreffende Strahlung. Um wieder wechselwirken und Signale umwandeln zu können, muss das Material abkühlen – und zwar innerhalb etwa eines Billionstels einer Sekunde, der Schwingungsdauer des Terahertz-Feldes. 

Weil die heißen Elektronen in Graphen zu wenige Möglichkeiten haben, ihre überschüssige Wärme abzugeben, erprobten die Forscher als nächstes den prototypischen topologischen Isolator Bismutselenid. Topologische Isolatoren wirken im Inneren isolierend, während sich Elektronen auf der Oberfläche frei bewegen und Strom leiten können. Ähnlich wie in dem ultradünnen Graphen findet die elektronische Signalumwandlung daher in zwei Dimensionen, ausschließlich an der Oberfläche, statt. Anders als bei Graphen kann Wärme aber über die Wechselwirkung mit Elektronen im Inneren sehr schnell abgeführt werden. Das Resultat: schnelle 3D-Kühlung statt 2D-Hitzestau.

„Das System ist selbst bei Raumtemperatur außerordentlich effizient. Und wir haben die Grenze noch nicht erreicht. Vermutlich können wir die Leistung für höhere Intensitäten sogar noch weiter steigern“, schätzt Dr. Georgy Astakhov ein, Leiter der Abteilung Quantenmaterialien und -technologie am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR.

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