Forskerhold udvikler nyt materialesystem til at konvertere og generere terahertz-bølger

På det elektromagnetiske spektrum, terahertz lys er placeret mellem infrarød stråling og mikrobølger. Det rummer et enormt potentiale for morgendagens teknologier:Bl.a. det kan lykkes med 5G ved at muliggøre ekstremt hurtige mobilkommunikationsforbindelser og trådløse netværk. Flaskehalsen i overgangen fra gigahertz- til terahertz-frekvenser er forårsaget af utilstrækkeligt effektive kilder og konvertere. Et tysk-spansk forskerhold med deltagelse af Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu udviklet et materialesystem til at generere terahertz-impulser meget mere effektivt end før. Det er baseret på grafen, dvs. en supertynd carbonplade, belagt med en metallisk lamelstruktur. Forskergruppen præsenterede sine resultater i tidsskriftet ACS Nano .

For noget tid siden, et team af eksperter, der arbejder på HZDR-acceleratoren ELBE, var i stand til at vise, at grafen kan fungere som en frekvensmultiplikator:Når det todimensionelle kulstof bestråles med lysimpulser i det lave terahertz-frekvensområde, disse konverteres til højere frekvenser. Indtil nu, problemet har været, at ekstremt stærke indgangssignaler, som igen kun kunne produceres af en fuldskala partikelaccelerator, var påkrævet for at generere sådanne terahertz-impulser effektivt." Dette er naturligvis upraktisk for fremtidige tekniske applikationer, " forklarer undersøgelsens primære forfatter Jan-Christoph Deinert fra Institute of Radiation Physics ved HZDR. "Så, vi ledte efter et materialesystem, der også fungerer med et meget mindre voldeligt input, dvs. med lavere feltstyrker."

Til dette formål, HZDR videnskabsmænd, sammen med kolleger fra Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), Institut for Fotoniske Videnskaber (ICFO), universitetet i Bielefeld, TU Berlin og det Mainz-baserede Max Planck Institute for Polymer Research, kom med en ny idé:frekvensomdannelsen kunne forbedres enormt ved at belægge grafenen med små guldlameller, som besidder en fascinerende egenskab:"De fungerer som antenner, der markant forstærker den indkommende terahertz-stråling i grafen, " forklarer projektkoordinator Klaas-Jan Tielrooij fra ICN2. "Som et resultat, får vi meget stærke felter, hvor grafenen blotlægges mellem lamellerne. Dette giver os mulighed for at generere terahertz-impulser meget effektivt."

Overraskende effektiv frekvensmultiplikation

For at teste ideen, teammedlemmer fra ICN2 i Barcelona producerede prøver:Først, de påførte et enkelt grafenlag på en glasbærer. På toppen, de dampede et ultratyndt isolerende lag af aluminiumoxid, efterfulgt af et gitter af guldstrimler. Prøverne blev derefter taget til TELBE terahertz-anlægget i Dresden-Rossendorf, hvor de blev ramt med lysimpulser i det lave terahertz-område (0,3 til 0,7 THz). Under denne proces, eksperterne brugte specielle detektorer til at analysere, hvor effektivt grafenet belagt med guldlameller kan multiplicere frekvensen af ​​den indfaldende stråling.

"Det fungerede meget godt, " Sergey Kovalev er glad for at kunne rapportere. Han er ansvarlig for TELBE-anlægget i HZDR. "Sammenlignet med ubehandlet grafen, meget svagere inputsignaler er tilstrækkelige til at producere et frekvensmultipliceret signal." Udtrykt i tal, kun en tiendedel af den oprindeligt nødvendige feltstyrke var nok til at observere frekvensmultiplikationen. Og ved teknologisk relevante lave feltstyrker, kraften af ​​de konverterede terahertz-impulser er mere end tusind gange stærkere takket være det nye materialesystem. Jo bredere de enkelte lameller er, og jo mindre er de områder af grafen, der efterlades eksponeret, jo mere udtalt er fænomenet. I første omgang, eksperterne var i stand til at tredoble de indgående frekvenser. Senere, de opnåede endnu større virkninger – fem gange, syv gange, og endda ni gange stigninger i indgangsfrekvensen.

Kompatibel med chipteknologi

Dette giver et meget interessant perspektiv, fordi indtil nu, videnskabsmænd har haft brug for store, komplekse enheder såsom acceleratorer eller store lasere til at generere terahertz-bølger. Takket være det nye materiale, det kan også være muligt at opnå springet fra gigahertz til terahertz rent med elektriske indgangssignaler, dvs. med meget mindre indsats. "Vores grafen-baserede metamateriale ville være ganske kompatibelt med den nuværende halvlederteknologi, " Deinert understreger. "I princippet, det kunne integreres i almindelige chips." Han og hans team har bevist gennemførligheden af ​​den nye proces - nu kan implementering i specifikke samlinger blive mulig.

De potentielle applikationer kan være enorme:Da terahertz-bølger har højere frekvenser end de gigahertz-mobilkommunikationsfrekvenser, der bruges i dag, de kunne bruges til at transmittere betydeligt flere trådløse data – 5G ville blive til 6G. Men terahertz-serien er også af interesse for andre områder - fra kvalitetskontrol i industrien og sikkerhedsscannere i lufthavne til en lang række videnskabelige anvendelser inden for materialeforskning, for eksempel.