Der realen Nutzbarkeit der Terahertz-Technologie einen Schritt näher gekommen

Forscher haben in zweidimensionalen leitfähigen Systemen einen neuen Effekt entdeckt, der eine verbesserte Leistung von Terahertz-Detektoren verspricht.

Ein Team von Wissenschaftlern des Cavendish Laboratory hat zusammen mit Kollegen der Universitäten Augsburg (Deutschland) und Lancaster einen neuen physikalischen Effekt entdeckt, wenn zweidimensionale Elektronensysteme Terahertz-Wellen ausgesetzt werden.

Zunächst einmal, was sind Terahertzwellen? „Wir kommunizieren über Mobiltelefone, die Mikrowellenstrahlung aussenden, und verwenden Infrarotkameras für die Nachtsicht. Terahertz ist die Art von elektromagnetischer Strahlung, die zwischen Mikrowellen- und Infrarotstrahlung liegt“, erklärt Prof. David Ritchie, Leiter der Gruppe Halbleiterphysik am Cavendish Laboratory der University of Cambridge, „aber im Moment fehlt es an Quellen und Detektoren für diese Art von Strahlung, die billig, effizient und einfach zu handhaben wären. Dies behindert den breiten Einsatz der Terahertz-Technologie.“

Forscher der Gruppe Halbleiterphysik waren zusammen mit Forschern aus Pisa und Turin in Italien 2002 die ersten, die den Betrieb eines Lasers bei Terahertz-Frequenzen, eines Quantenkaskadenlasers, demonstrierten. Seitdem hat die Gruppe die Erforschung der Terahertz-Physik und -Technologie fortgesetzt und untersucht und entwickelt derzeit funktionale Terahertz-Geräte, die Metamaterialien enthalten, um Modulatoren zu bilden, sowie neue Arten von Detektoren.

Wenn der Mangel an brauchbaren Geräten behoben würde, könnte die Terahertz-Strahlung viele nützliche Anwendungen in den Bereichen Sicherheit, Materialwissenschaft, Kommunikation und Medizin haben. Beispielsweise ermöglichen Terahertz-Wellen die Abbildung von Krebsgewebe, das mit bloßem Auge nicht sichtbar wäre. Sie können in neuen Generationen von sicheren und schnellen Flughafenscannern eingesetzt werden, die es ermöglichen, Medikamente von illegalen Drogen und Sprengstoffen zu unterscheiden, und sie könnten eine noch schnellere drahtlose Kommunikation über den Stand der Technik hinaus ermöglichen.

Also, worum geht es bei der jüngsten Entdeckung? „Wir waren dabei, einen neuartigen Terahertz-Detektor zu entwickeln“, sagt Dr. Wladislaw Michailow, Junior Research Fellow am Trinity College Cambridge, „aber bei der Messung seiner Leistung stellte sich heraus, dass er ein viel stärkeres Signal zeigte, als theoretisch zu erwarten wäre.“ Also Wir haben eine neue Erklärung gefunden.“

Diese Erklärung liegt, wie die Wissenschaftler sagen, in der Art und Weise, wie Licht mit Materie interagiert. Bei hohen Frequenzen absorbiert Materie Licht in Form von einzelnen Teilchen – Photonen. Diese erstmals von Einstein vorgeschlagene Interpretation bildete die Grundlage der Quantenmechanik und erklärte den photoelektrischen Effekt. Durch diese Quantenfotoanregung wird Licht von Kameras in unseren Smartphones erfasst; Es ist auch das, was in Solarzellen aus Licht Strom erzeugt.

Der bekannte photoelektrische Effekt besteht in der Freisetzung von Elektronen aus einem leitfähigen Material – einem Metall oder einem Halbleiter – durch einfallende Photonen. Im dreidimensionalen Fall können Elektronen durch Photonen im Ultraviolett- oder Röntgenbereich ins Vakuum ausgestoßen oder im mittleren Infrarot- bis sichtbaren Bereich in ein Dielektrikum freigesetzt werden. Die Neuheit liegt in der Entdeckung eines Quanten-Photoanregungsprozesses im Terahertz-Bereich, ähnlich dem photoelektrischen Effekt. „Dass solche Effekte innerhalb hochleitfähiger, zweidimensionaler Elektronengase bei viel niedrigeren Frequenzen existieren können, ist bisher nicht verstanden worden“, erklärt Wladislaw, Erstautor der Studie, „aber wir konnten dies experimentell nachweisen.“ Die quantitative Theorie des Effekts wurde von einem Kollegen der Universität Augsburg, Deutschland, entwickelt, und das internationale Forscherteam veröffentlichte seine Ergebnisse in der Zeitschrift Wissenschaftliche Fortschritte.

Die Forscher tauften das Phänomen dementsprechend „in-plane photoelectric effect“. In der entsprechenden Veröffentlichung beschreiben die Wissenschaftler mehrere Vorteile der Nutzung dieses Effekts für die Terahertz-Detektion. Insbesondere ist die Grße der Lichtantwort, die durch einfallende Terahertz-Strahlung durch den „photoelektrischen Effekt in der Ebene“ erzeugt wird, viel höher als von anderen Mechanismen erwartet, von denen bisher bekannt war, dass sie eine Terahertz-Fotoreaktion hervorrufen. Die Wissenschaftler erwarten daher, dass dieser Effekt die Herstellung von Terahertz-Detektoren mit wesentlich höherer Empfindlichkeit ermöglichen wird.

„Damit kommen wir dem Ziel, die Terahertz-Technologie in der realen Welt nutzbar zu machen, einen Schritt näher“, schließt Prof. Ritchie.