Ultradünne Terahertz-Quelle ebnet den Weg zur nächsten Generation der Kommunikationstechnologie

Physiker der University of Sussex haben eine extrem dünne, großflächige Halbleiter-Oberflächenquelle für Terahertz entwickelt, die aus nur wenigen Atomlagen besteht und mit bestehenden elektronischen Plattformen kompatibel ist.

Terahertz-Quellen senden kurze Lichtpulse aus, die Billionen Mal pro Sekunde oszillieren. In dieser Größenordnung sind sie zu schnell, um von Standardelektronik gehandhabt zu werden, und bis vor kurzem zu langsam, um von optischen Technologien gehandhabt zu werden. Dies ist von großer Bedeutung für die Entwicklung ultraschneller Kommunikationsgeräte oberhalb der 300-GHz-Grenze – wie sie beispielsweise für die 6G-Mobiltelefontechnologie erforderlich ist – etwas, das immer noch grundlegend über die Grenzen der aktuellen Elektronik hinausgeht. Forscher des Emergent Photonics (EPic) Lab in Sussex sind führend in der Oberflächen-Terahertz-Emissionstechnologie und haben die hellsten und dünnsten Oberflächen-Halbleiterquellen entwickelt, die bisher demonstriert wurden. Der Emissionsbereich ihrer Neuentwicklung, einer Halbleiterquelle für Terahertz, ist zehnmal dünner als bisher erreicht, bei vergleichbarer oder sogar besserer Leistung.

Die dünnen Schichten können auf vorhandene Objekte und Geräte aufgebracht werden – eine Terahertz-Quelle kann an Orten platziert werden, die sonst undenkbar gewesen wären, darunter Alltagsgegenstände wie eine Teekanne oder sogar ein Kunstwerk – und eröffnet ein enormes Potenzial für Anti- Fälschungen und das Internet der Dinge – sowie zuvor inkompatible Elektronik wie Mobiltelefone der nächsten Generation.

Dr. Luke Peters, Forschungsstipendiat des European Research Council-Projekts TIMING an der University of Sussex, sagte:„Die Idee, Terahertz-Quellen an unzugänglichen Orten zu platzieren, hat einen großen wissenschaftlichen Reiz, ist aber in der Praxis sehr herausfordernd. Terahertz-Strahlung kann in der Materialwissenschaft, Biowissenschaft und Sicherheit eine herausragende Rolle spielen. Dennoch ist es den meisten bestehenden Technologien noch immer fremd, einschließlich Geräten, die als Teil des schnell wachsenden Internets der Dinge mit Alltagsgegenständen kommunizieren. Dieses Ergebnis ist ein Meilenstein auf unserem Weg, Terahertz-Funktionen näher an unseren Alltag zu bringen.“

Terahertzwellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarot und sind eine in Forschung und Industrie stark nachgefragte Strahlungsform. Sie haben die natürliche Fähigkeit, die Materialzusammensetzung eines Objekts aufzudecken, indem sie gängige Materialien wie Papier, Kleidung und Kunststoff auf die gleiche Weise wie Röntgenstrahlen durchdringen, ohne jedoch schädlich zu sein. Die Terahertz-Bildgebung ermöglicht es, die molekulare Zusammensetzung von Objekten zu „sehen“ und zwischen verschiedenen Materialien zu unterscheiden. Frühere Entwicklungen haben potenzielle Anwendungen von Terahertz-Kameras aufgezeigt, die für die Flughafensicherheit von grundlegender Bedeutung sein könnten, und medizinische Scanner – beispielsweise solche, die zur Erkennung von Hautkrebs verwendet werden.

Eine der größten Herausforderungen für Wissenschaftler, die in der Terahertz-Technologie arbeiten, besteht darin, dass das, was allgemein als „intensive Terahertz-Quelle“ akzeptiert wird, im Vergleich zu beispielsweise einer Glühbirne schwach und sperrig ist. In vielen Fällen macht der Bedarf an sehr exotischen Materialien, wie z. B. nichtlinearen Kristallen, diese unhandlich und teuer. Diese Anforderung stellt logistische Herausforderungen für die Integration mit anderen Technologien wie Sensoren und ultraschneller Kommunikation dar.

Das Sussex-Team hat diese Einschränkungen überwunden, indem es Terahertz-Quellen aus extrem dünnen Materialien (etwa 25 Atomlagen) entwickelt hat. Indem sie einen elektronischen Halbleiter mit zwei verschiedenen Arten von Laserlicht beleuchteten, die jeweils mit einer anderen Frequenz – oder Farbe – oszillierten, konnten sie die Emission kurzer Ausbrüche von Terahertz-Strahlung hervorrufen.

Dieser wissenschaftliche Durchbruch wurde seit der ersten Demonstration von Terahertz-Quellen basierend auf Zweifarbenlasern in den frühen 2000er Jahren von auf diesem Gebiet tätigen Wissenschaftlern lange angestrebt. Zweifarben-Terahertzquellen, die auf speziellen Gasmischungen wie Stickstoff, Argon oder Krypton basieren, gehören zu den leistungsstärksten Quellen, die heute verfügbar sind. Die in elektronischen Technologien weit verbreiteten Halbleiter sind für diese Art von Terahertz-Erzeugungsmechanismus größtenteils unerreichbar geblieben.