Superschneller Internetfunk dank Terahertz-Strahlung

„Wir halten diesen Ansatz für technologisch sehr interessant“, betont Dr. Michael Gensch, Leiter einer Arbeitsgruppe am HZDR, die sich mit den wissenschaftlichen Anwendungen von hohen Terahertz-Feldern in den Material- und Lebenswissenschaften beschäftigt. Sein Team hat die neuen Schichten mit Lasern sowie mit kurzen, besonders starken Terahertz-Pulsen vermessen.

Bisher sind erst wenige und meist recht aufwendige Varianten für die Erzeugung von „einfarbiger“ Terahertz-Strahlung bekannt. Die jetzt untersuchten Dünnschichten dagegen sind billige und für eine Großproduktion gut geeignete Quellen für Terahertz-Strahlen mit exakt einstellbarer Wellenlänge. „Ich halte es für sehr gut vorstellbar, dass es möglich ist, diese Schichten auf Chips zu integrieren“, schätzt Dr. Alina Deac ein, Leiterin der Helmholtz-Nachwuchsgruppe für Spinelektronik am HZDR.

Heutige WLAN-Sender in Computertelefonen und Notebooks arbeiten oft mit Frequenzen zwischen 2,4 und 5 Gigahertz. Über diese Funkverbindungen können sie in der Praxis Daten höchstens mit einem Tempo von 600 Megabit je Sekunde drahtlos übertragen. Dabei gilt die Faustregel: je höher die Frequenz, umso höher die maximal erzielbare Datenrate. Ein Terahertz-WLAN könnte auf Datenraten von bis zu 100 Gigabit je Sekunde kommen. Der Tera-Bereich schließt sich übrigens im System der Maßeinheiten direkt an den Giga-Bereich an (1 Gigahertz = 109 Hertz – das entspricht 1 Milliarde Zyklen pro Sekunde; 1 Terahertz = 1012 Hertz – 1 Billion Zyklen pro Sekunde).

1.000 Mal dünner als ein Blatt Papier

Für die Experimente der internationalen Gruppe hatten Dr. Karsten Rode und seine Arbeitsgruppe am Trinity College Dublin besondere Schichten aus verschiedenen Kompositionen einer Mangan-Gallium-Verbindung wachsen lassen, die nur 45 bis 65 Millionstel Millimeter (Nanometer) dünn sind. Zum Vergleich: 1.000 solcher Schichten übereinandergestapelt ergeben gerade mal die Dicke eines Papierblattes. Diese hauchdünnen Filme regten die Wissenschaftler in Dresden-Rossendorf dann mit intensiven Laser-Pulsen an. Durch diese Anregung entsteht eine synchrone Pendelbewegung der magnetischen Momente in den Nanoschichten, die zur Abstrahlung von Terahertz-Strahlung führt.

Technologisch hochinteressant ist nun, dass Dr. Rode und seine Kollegen die Frequenz der abgestrahlten Terahertz-Wellen präzise durch die Komposition der Mangan-Gallium-Verbindung einstellen können. „Die Emission ist zudem ein überraschend effizienter Prozess“, so Michael Gensch vom HZDR. „Damit handelt es sich bei den von uns untersuchten Schichten um eine einzigartige Technologie, um Terahertz-Strahlung zu erzeugen und die Frequenz dieser Strahlung nach Wunsch einzustellen.“ Dies ist eine wichtige Voraussetzung für Kommunikationsgeräte und Netzwerke der kommenden Generation.

Zur Aufklärung der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse konnte die neue Terahertz-Anlage TELBE im ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des HZDR entscheidend beitragen. „TELBE hat es uns ermöglicht, die kohärente Anregung der magnetischen Momente im elektronischen Grundzustand direkt zu vermessen“, erklärt Michael Gensch. Als nächstes wollen die Forscher die Sendeleistung der Terahertz-Schichten erhöhen.

Folgeprojekt soll zu Protoptypen führen

Angesichts der vielversprechenden Labor-Ergebnisse wollen die HZDR-Forscher nun den Weg hin in Richtung produktionsreifer superschneller WLAN-Sendemodule ein Stück weiter gehen. In einem Folgeprojekt wollen sie ihre Dünnschichten elektrisch statt mit aufwendigen Laser-Pulsen dazu anregen, Terahertz-Strahlen auszusenden. Wenn das funktioniert, könnte am Ende des Projektes der Weg geebnet sein für einen ersten Prototypen für Terahertz-WLAN-Module.

Publikation: N. Awari u. a.: “Narrow-band tunable terahertz emission from ferrimagnetic Mn3-xGa thin films”, in Applied Physics Letters 109 (2016), 032403.

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Dr. Michael Gensch
Gruppenleiter Hoch-Feld THz-getriebene Phänomene am Institut für Strahlenphysik des HZDR
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• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?
Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden Großgeräte mit einzigartigen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Messgästen zur Verfügung stehen.
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