Terahertzstrahlung kompakter und einfacher als je zuvor

Neuartige, einfache und extrem kompakte Strahlungsquelle für Terahertz-Wellen entwickelt: Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig

13.01.2022 - Österreich

Terahertzstrahlung hat eine Wellenlänge von typischerweise etwas unter einem Millimeter – und das ist ein technisch schwieriger Bereich. Elektromagnetische Wellen mit größerer Wellenlänge kann man mit gewöhnlichen elektronischen Bauteilen (wie Transistoren) und Antennen erzeugen. Kleinere Wellenlängen erhält man mit gewöhnlichen Lichtquellen, etwa mit Lasern oder LEDs. Der dazwischen liegende Terahertzbereich ist allerdings bis heute eine technische Herausforderung. Dabei kann gerade Strahlung in diesem Bereich sehr nützlich sein. Man benötigt sie in vielen Gebieten, von der Werkstoffprüfung oder der Sicherheitstechnologie am Flughafen bis zur Radioastronomie, und vielleicht auch bei zukünftigen Formen der Telekommunikation.

An der TU Wien gelang es nun, eine extrem einfache und kompakte Quelle für Terahertzstrahlung herzustellen: Ein Oszillator mit doppelten Resonanztunneldioden und dessen Strahlungsleistung übertrifft ähnliche Bauteile deutlich. Die neue Technologie wurde nun im Fachjournal „Applied Physics Letters“ publiziert.

Chip-Größe statt Labortisch-Größe

„Es gibt heute verschiedene Möglichkeiten, Terahertzwellen zu erzeugen“, sagt Prof. Michael Feiginov (Institute of Electrodynamics, Microwave and Circuit Engineering, TU Wien). Man kann etwa Quantenkaskadenlaser verwenden. Mit ihnen erreicht man hohe Intensitäten, muss sie aber auf sehr tiefe Temperaturen abkühlen. Oder man verwendet große komplizierte photonische Systeme mit mehreren Lasern, deren Strahlung man miteinander mischt und dadurch größere Wellenlängen erzeugt – damit kann man sehr flexibel die gewünschten Wellenlängen produzieren. „Unser Ziel war es allerdings, eine einfache, extrem kompakte Terahertz-Quelle zu entwickeln“, betont Michael Feiginov. „Wenn wir wollen, dass die Technologie in Zukunft in ganz einfachen Alltagsgeräten eingebaut werden kann, dann müssen die Terahertz-Quellen klein sein und bei normaler Raumtemperatur funktionieren.“

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Dazu verwendete man nun weder Laser noch Quanten-Kaskaden-Technologie, sondern simple Oszillatoren. „Oszillatoren sind in der Elektrotechnik etwas ganz Alltägliches“, sagt Petr Ouředník, der Erstautor der aktuellen Publikation (ebenfalls TU Wien). Wenn man bestimmte elektronische Bauteile koppelt, etwa Spulen und Kondensatoren, dann wechselt die Energie zwischen ihnen hin und her, dadurch lässt sich elektromagnetische Strahlung erzeugen. „Das Problem dabei sind normalerweise aber die Verluste, die man sich als einen Verlustwiderstand vorstellen kann“, sagt Petr Ouředník. „Dieser sorgt normalerweise dafür, dass die Schwingung in diesen Schwingkreisen in kürzester Zeit wieder zum Erliegen kommt.“

Quantentrick für negativen Widerstand

Das lässt sich allerdings mit quantenphysikalischen Tricks ändern: „Wir verwenden Resonanztunneldioden, wo der Strom infolge Tunnelierung durch (Resonanz- oder) Quanten-Zustände zwischen zwei Barrieren fließt“, sagt Petr Ouředník. „Der Quanten-Topf zwischen den Barrieren ist in unseren Strukturen besonders schmal, so dass darin nur ganz bestimmte und ganz wenige Elektronen-Zustände physikalisch erlaubt sind.“ Indem man eine Spannung anlegt, können diese Elektronen-Zustände und deren Energiewerte verändert werden.

Normalerweise steigt der Stromfluss an, wenn man die elektrische Spannung erhöht – der elektrische Widerstand gibt an, in welchem Ausmaß. In Resonanztunneldioden ist aber der umgekehrte Effekt möglich: Wenn die Spannung zunimmt, kann es passieren, dass die Elektronen-Zustände im Topf nicht mehr zu den Elektronen-Zuständen in den anderen Teilen der Struktur passen. Damit können die Elektronen nicht mehr von einem Bereich in den anderen überwechseln, und der Stromfluss nimmt ab anstatt zuzunehmen. Das bedeutet: Der elektrische Widerstand wird negativ. „Ein negativer Widerstand im Schwingkreis bedeutet allerdings, dass der Schwingkreis nicht Energie verliert, sondern stattdessen Energie aufnimmt. Die elektromagnetische Schwingung hält sich selbst am Laufen, Gleichstrom von außen wird in Terahertzstrahlung umgewandelt“, sagt Michael Feiginov.

Vom Handy bis zur Radioastronomie

Das Bemerkenswerte an dieser Technologie ist nicht nur die beträchtlich hohe Intensität der Terahertzstrahlung, sondern vor allem die geringe Größe: Die gesamte Struktur ist deutlich kleiner als ein Millimeter. Sie würde sich somit eignen, um in kompakte Geräte wie etwa Smartphones eingebaut zu werden.

„Anwendungsideen gibt es so viele, dass wir heute gar nicht sagen können, welche davon am realistischsten ist“, sagt Michael Feiginov. „Man verwendet den Terahertz-Bereich in der Radioastronomie, man kann ihn um Objekte zu durchleuchten verwenden, etwa bei Sicherheits-Checks am Flughafen oder auch bei der Materialprüfung. Spannend sind Terahertz-Strahlen auch für chemische Sensoren: Verschiedene Moleküle kann man daran erkennen, dass sie ganz bestimmte Frequenzen im Terahertz-Bereich absorbieren. All diese Technologien werden von einer simplen und kompakten Konstruktionsweise von Terahertz-Quellen profitieren, und genau dazu wollten wir einen wichtigen Beitrag leisten.“