Bausteine für das Terahertz-Imaging

Physikalisch zwischen Infrarot und Mikrowellen gelegen, verspricht dieser Bereich zahlreiche faszinierende Anwendungsmöglichkeiten in Forschung, Industrie und täglichem Leben – Bilder aus dem Inneren von Molekülen, neue Erkenntnisse über die Kinderstube des Universums, medizinische Diagnosen oder Sicherheitschecks an Flughäfen ohne lästiges Abtasten der Passagiere.

Die Entwicklung von leistungsfähigen Terahertz-Detektoren wird das zukünftige Forschungsfeld von Dr. Ullrich Pfeiffer am Institut für Höchstfrequenztechnik und Quantenelektronik der Universität Siegen sein. Zu diesem Vorhaben wird er am 13. Oktober in Prag einen der höchstdotierten Forschungspreise Europas, den EURYI-Award (European Young Investigators-Award) empfangen.

Alle Körper strahlen mit ihrer Wärme auch Terahertz-Wellen ab. Das Frequenzband der Terahertz-Wellen liegt an der Grenze zwischen Funkwellen und Licht in der Frequenzregion von 100 Gigahertz bis 10 Terahertz. Sie durchdringen viele Materialien, etwa Kunststoffe und Holz, aber auch biologisches Gewebe, von Wasser und vielen Metallen werden sie jedoch absorbiert. Allerdings sind die Terahertz-Signale normalerweise äußerst schwach und können nur mit aufwendigen Apparaturen registriert werden. Deshalb bezeichneten Forscher diesen Bereich des „fernen Infrarot“ lange auch als „Terahertz-Lücke“.

In den letzten Jahren aber wurden erste Terahertz-Kameras entwickelt. Bis heute benötigen sie noch Belichtungszeiten von mehreren Minuten und besitzen nur eine Auflösung von wenigen Pixel. Für die Technik sind Terahertz-Bilder interessant, weil sie in vielen Fällen durch Oberflächen hindurch blicken und weil die Strahlung nicht-ionisierend ist, also für biologische Gewebe ungefährlich. Die Terahertz-Technik verspricht daher ein breites Feld von möglichen Anwendungen, beispielsweise auch für die Nachrichtenübertragung

Ziel des 35-jährigen Physikers Ullrich Pfeiffer ist es, Terahertz-Detektoren aus neuen Materialien zu entwickeln, die empfindlich genug sind, um sogar bewegte Videobilder aufzunehmen. Sie sollen in kleinen Kameras zum Einsatz kommen und preiswert genug für eine breite Anwendung bleiben. Zudem will er die Fähigkeiten der Terahertz-Kameras immer mehr in Regionen höherer Frequenzen verschieben, denn bisher arbeiten sie vor allem in Bereichen von mehreren hundert Gigahertz.

Aktuellste Einsatzmöglichkeit von Terahertz-Kameras sind wohl die Sicherheitskontrollen an Flughäfen: Terahertzwellen blicken durch Kofferwände und Kleidung hindurch und erkennen verborgene Waffen und Sprengstoffe. In der Medizin erhoffen sich die Forscher, durch ungefährliche Terahertzwellen zahlreiche Röntgenuntersuchungen zu ersetzen. In der Industrie eröffnen kompakte und schnelle Terahertz-Kameras Perspektiven für eine zerstörungsfreie Qualitätsprüfungen am Fließband, da sie auch in viele Werkstoffe hinein blicken können.

Mit dem Preisgeld von 1,1 Millionen Euro will Pfeiffer am Institut für Höchstfrequenztechnik und Quanten-Elektronik der Universität Siegen in den nächsten fünf Jahren eine Forschungsgruppe aufbauen, die sich vor allem mit der Entwicklung hochintegrierter Terahertz-Detektoren beschäftigt. „Mit Hilfe dieser Auszeichnung können wir es schaffen! Wenn wir die Brücke zwichen herkömlichen Silizium-Chips und der Terahertz-Elektronik ersteinmal geschlagen haben warten auf uns ganz neue und faszinierende Anwendungen. Angesichts der notwendigen Investitionen für neue Materialien, Schaltungen und Systeme wäre dies ohne finanzielle Starthilfe gar nicht möglich.“ Die neue Arbeitsgruppe wird das Team von Prof. Peter Haring Bolivar im Zentrum für Sensorsysteme an der Universität Siegen ergänzen.

Dr. Ullrich Pfeiffer, Jahrgang 1970, hat sich früh auf Hochfrequenz-Schaltkreise und -Systeme spezialisiert. Er promovierte an der Universität Heidelberg mit der Entwicklung von Elektronik-Bausteinen, die heute am Europäischen Kernforschungszentrum CERN in Genf genutzt werden. 2001 ging er an das T.J. Watson Forschungszentrum des Computerkonzerns IBM bei New York, wo er bis Ende 2006 tätig bleibt. Hier erhielt er mehrere wissenschaftliche Auszeichnungen, darunter auch für seine Entwicklungen von Millimeterwellen-Schaltkreise, die eine wichtige Basis für künftige hochintegrierte Terahertz-Detektoren sind.