Ultra-dünne Terahertz-Quelle treibt Kommunikationstechnologien der nächsten Generation an

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

Terahertz-Quellen emittieren kurze Lichtpulse, die billionenfach pro Sekunde oszillieren. Auf dieser Skala sind sie zu schnell für herkömmliche Elektronik und bislang zu langsam für optische Technologien. Dies hat große Bedeutung für die Entwicklung ultra-schneller Kommunikationsgeräte jenseits der 300-GHz-Grenze – wie sie für 6G-Mobilfunktechnologie erforderlich sind –, was immer noch grundlegend jenseits der Grenze aktueller Elektronik liegt. Forscher im Emergent Photonics (EPic) Lab an der Sussex-Universität sind führend in der Terahertz-Oberflächenemissionstechnologie und haben die bisher hellsten und dünnsten Halbleiter-Oberflächenquellen demonstriert. Der Emissionsbereich ihrer Neuentwicklung, eine Halbleiter-Terahertz-Quelle, ist 10-mal dünner als bisher erreicht, mit vergleichbarer oder sogar besserer Leistung.

Die dünnen Schichten können auf bestehende Objekte und Geräte aufgebracht werden – eine Terahertz-Quelle kann an Orten platziert werden, die zuvor unvorstellbar waren, einschließlich Alltagsgegenständen wie einer Teekanne oder sogar einem Kunstwerk – was enormes Potenzial für Anti-Fälschung und das Internet der Dinge eröffnet – sowie für zuvor inkompatible Elektronik, wie Mobiltelefone der nächsten Generation.

Dr. Luke Peters, Research Fellow des European Research Council-Projekts TIMING an der University of Sussex, sagte: „Die Idee, Terahertz-Quellen an unzugänglichen Orten zu platzieren, hat große wissenschaftliche Anziehungskraft, ist in der Praxis aber sehr herausfordernd. Terahertz-Strahlung kann eine überragende Rolle in Materialwissenschaft, Lebenswissenschaft und Sicherheit spielen. Dennoch ist sie den meisten bestehenden Technologien noch fremd, einschließlich Geräten, die mit Alltagsobjekten im Rahmen des sich schnell ausdehnenden Internet der Dinge kommunizieren. Dieses Ergebnis ist ein Meilenstein auf unserem Weg, Terahertz-Funktionen näher in unseren Alltag zu bringen.“

Terahertz-Wellen liegen zwischen Mikrowellen und Infrarot im elektromagnetischen Spektrum und sind eine in Forschung und Industrie hoch begehrte Strahlungsform. Sie haben die natürliche Fähigkeit, die Materialzusammensetzung eines Objekts zu enthüllen, indem sie gängige Materialien wie Papier, Kleidung und Kunststoff genauso leicht durchdringen wie Röntgenstrahlen, aber ohne schädlich zu sein. Terahertz-Bildgebung ermöglicht es, die molekulare Zusammensetzung von Objekten zu „sehen“ und zwischen verschiedenen Materialien zu unterscheiden. Frühere Entwicklungen zeigten potenzielle Anwendungen von Terahertz-Kameras, die in der Flughafensicherheit und bei medizinischen Scannern – wie denen zur Erkennung von Hautkrebs – transformativ sein könnten.

Eine der größten Herausforderungen für Wissenschaftler in der Terahertz-Technologie ist, dass das, was allgemein als „intensive Terahertz-Quelle“ akzeptiert wird, im Vergleich zu beispielsweise einer Glühbirne schwach und voluminös ist. In vielen Fällen macht die Notwendigkeit sehr exotischer Materialien wie nichtlinearer Kristalle sie unhandlich und teuer. Diese Anforderung stellt logistische Herausforderungen für die Integration mit anderen Technologien wie Sensoren und ultaschneller Kommunikation dar.

Das Sussex-Team hat diese Einschränkungen überwunden, indem es Terahertz-Quellen aus extrem dünnen Materialien (etwa 25 atomare Schichten) entwickelte. Durch Bestrahlung eines elektronischen Halbleiters mit zwei verschiedenen Arten von Laserlicht, die jeweils mit einer anderen Frequenz – oder Farbe – oszillieren, konnten sie die Emission kurzer Terahertz-Strahlungsblitze hervorrufen.

Dieser wissenschaftliche Durchbruch wird von Wissenschaftlern auf diesem Gebiet seit der ersten Demonstration von Terahertz-Quellen auf Basis von Zwei-Farben-Lasern in den frühen 2000er Jahren gesucht. Zwei-Farben-Terahertz-Quellen auf Basis spezieller Gasmischungen wie Stickstoff, Argon oder Krypton zählen zu den heute leistungsstärksten Quellen. Halbleiter, die in elektronischen Technologien weit verbreitet sind, blieben für diesen Terahertz-Erzeugungsmechanismus weitgehend unerreichbar.