Metamaterialien für die Terahertz-Ära
Maßgeschneidertes Quantenmaterial als hocheffizienter Frequenz-Booster
Ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR), des Katalanischen Instituts für Nanowissenschaften und Nanotechnologie und der Julius-Maximilians-Universität Würzburg hat einen Weg gefunden, Terahertz-Strahlung durch Frequenzumwandlung mit deutlich höherer Effizienz zu erzeugen als mit bisherigen Technologien. Ein speziell konstruiertes Quantenmaterialsystem dient dabei als hocheffizienter Frequenzvervielfacher.
Metamaterial aus topologischem Isolator mit aufgebrachten Goldlamellen
© WERKSTATT X / HZDR
Terahertz-Wellen sind hochfrequente elektromagnetische Wellen zwischen dem Mikrowellen- und Infrarotbereich. Zukünftig könnten sie optoelektronische Anwendungen beschleunigen und in der Kommunikation heutige Gigahertz-Technologien ablösen. Mit tausendfach höheren Taktraten erlaubt der Terahertz-Bereich einen extrem schnellen Datentransfer und könnte eine Basis für 6G-Mobilfunknetze bieten. Bis dahin sind jedoch noch technologische Hürden zu überwinden. Der Terahertz-Bereich ist noch nicht ausreichend erforscht: Passende Bauteile fehlen; viele Systeme lassen sich in ihrer jetzigen Form nur in speziellen Laboren und in Kombination mit Hochleistungslasern nutzen. Die Forscher suchen daher nach praxisnäheren Lösungen.
„Terahertz-Anregungen sind genau der Grenzbereich ultraschneller Elektronik, in dem viele noch wenig erforschte Quantenphänomene relevant werden. Für neue optoelektronische Bauteile müssen wir erst herausfinden, welche Materialien und Methoden sich überhaupt eignen“, erläutert Dr. Sergey Kovalev, Gruppenleiter an der Terahertz-Quelle TELBE am Institut für Strahlenphysik des HZDR, der für die Experimente verantwortlich war. Die TELBE-Quelle ist speziell dafür ausgelegt, neue Materialien und ihre Wechselwirkungen mit intensiven Terahertz-Pulsen zu erforschen.
Zehnmal mehr Leistung
Besonders vielversprechend sind bestimmte Quantenmaterialien, die als eine Art Frequenz-Booster eingesetzt werden könnten, um elektronisch erzeugte Gigahertz-Strahlung in den benachbarten Terahertz-Bereich zu konvertieren. Möglich macht dies eine hocheffiziente, nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Materie: Das starke elektrische Feld des intensiven Gigahertz-Pulses beschleunigt die freien Elektronen im Material, die dadurch ihrerseits Lichtpulse bei höheren Frequenzen aussenden. Das Problem bisher: Bei sehr intensiver Bestrahlung ging in den Materialien fast die gesamte Leistung im Boost-Prozess verloren.
Mit einem neuen Materialsystem gelang es dem Forschungsteam nun, einen signifikanten Anteil der intensiven Gigahertz-Strahlung – die eintreffende Strahlung hatte eine Frequenz von 500 Gigahertz (GHz) – in den Terahertz-Bereich umzuwandeln. Dafür kombinierten sie einen sogenannten topologischen Isolator mit einer zusätzlichen Goldlamellen-Beschichtung zu einem Metamaterial, also einem gezielt strukturierten Werkstoff, der sich durch besondere optische, elektrische oder magnetische Eigenschaften auszeichnet. Dadurch erreichten sie eine Umwandlungseffizienz von fast 10 Prozent der elektrischen Feldstärke anstelle von zuvor rund einem Prozent.
2D-Elektronik, 3D-Kühlung
„Begonnen haben wir ursprünglich mit Graphen, weil es eine besondere elektronische Struktur hat, in der man Elektronen sehr effizient beschleunigen kann. Wir haben aber gesehen, dass Graphen bei hohen Intensitäten an eine Grenze stößt“, erläutert Dr. Jan-Christoph Deinert, Koautor der Studie und mitverantwortlich für die Terahertz-Quelle TELBE. Das ultradünne Graphen besteht aus einer einzelnen Lage Kohlenstoffatome. Trifft ein Giga- oder Terahertz-Puls auf das Material, heizt sich das Elektronensystem sofort auf mehrere tausend Grad Celsius auf. In diesem heißen Zustand wird Graphen aber transparent für die eintreffende Strahlung. Um wieder wechselwirken und Signale umwandeln zu können, muss das Material abkühlen – und zwar innerhalb etwa eines Billionstels einer Sekunde, der Schwingungsdauer des Terahertz-Feldes. Sonst geht in der Zwischenzeit Signal verloren.
Weil die heißen Elektronen in Graphen zu wenige Möglichkeiten haben, ihre überschüssige Wärme abzugeben, erprobten die Forscher als nächstes den prototypischen topologischen Isolator Bismutselenid. Topologische Isolatoren wirken im Inneren isolierend, während sich Elektronen auf der Oberfläche frei bewegen und Strom leiten können. Ähnlich wie in dem ultradünnen Graphen findet die elektronische Signalumwandlung daher in zwei Dimensionen, ausschließlich an der Oberfläche, statt. Anders als bei Graphen kann Wärme aber über die Wechselwirkung mit Elektronen im Inneren sehr schnell abgeführt werden. Das Resultat: schnelle 3D-Kühlung statt 2D-Hitzestau.
„Das System ist selbst bei Raumtemperatur außerordentlich effizient. Und wir haben die Grenze noch nicht erreicht: Vermutlich können wir die Leistung für höhere Intensitäten sogar noch weiter steigern“, schätzt Dr. Georgy Astakhov ein, Leiter der Abteilung Quantenmaterialien und -technologie am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR und einer der Ideengeber der Studie.
Per „Material-Lego“ zum Optimum
Für die hohen Strahlungs-Intensitäten auf der Probe sorgen Goldlamellen, die auf die topologischen Isolatoren aufgedampft werden. Wie kleine Antennen erzeugen sie starke lokale Felder. „Diesen Ansatz hatten wir bereits an Graphen erprobt. Jetzt kombinieren wir die Antennenstrukturen mit topologischen Isolatoren. Es ist wie eine Art Material-Lego“, sagt Klaas-Jan Tielrooij, dessen Team in Barcelona die Goldlamellen aufbringt. Die topologischen Isolatoren werden in speziellen Laboren in Würzburg gezüchtet – im Rahmen einer Kollaboration mit dem Exzellenzcluster ct.qmat zur Erforschung neuer Materialien und exotischer Quantenphänomene.
Als nächstes wollen die Forscher den neu konstruierten Metamaterial-Prototypen weiter optimieren: Sie wollen besser verstehen, welche Parameter ausschlaggebend sind, etwa bis zu welcher Strahlungsintensität der Prozess funktioniert oder ob sich Graphen und topologische Isolatoren funktionell kombinieren lassen. Vor allem wollen sie das System in Hinblick auf mögliche Anwendungen weiter verbessern und realistische Konditionen erproben, um es eines Tages in Miniaturform auf einen Chip zu bringen.
Originalveröffentlichung
K.-J. Tielrooij, A. Principi, D. S. Reig, A. Block, S. Varghese, S. Schreyeck, K. Brunner, G. Karczewski, I. Ilyakov, O. Ponomaryov, T. V. A. G. de Oliveira, M. Chen, J.-C. Deinert, C. G. Carbonell, S. O. Valenzuela, L. W. Molenkamp, T. Kiessling, G. V. Astakhov, S. Kovalev: "Milliwatt terahertz harmonic generation from topological insulator metamaterials"; Light: Science & Applications, 2022.
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