Forscher haben einen extrem dünnen Chip mit integriertem photonischen Schaltkreis entwickelt, mit dem sich die sogenannte Terahertz-Lücke – die im elektromagnetischen Spektrum zwischen 0,3 und 30 THz liegt – für Spektroskopie und Bildgebung ausnutzen ließe.
Diese Lücke stellt derzeit eine Art technologische Totzone dar, da sie Frequenzen beschreibt, die für die heutigen elektronischen und Telekommunikationsgeräte zu schnell, für Optik- und Bildgebungsanwendungen jedoch zu langsam sind.
Der neue Chip der Wissenschaftler ermöglicht es ihnen nun, Terahertz-Wellen mit maßgeschneiderter Frequenz, Wellenlänge, Amplitude und Phase zu erzeugen. Diese präzise Steuerung könnte es ermöglichen, Terahertz-Strahlung für zukünftige Anwendungen sowohl im elektronischen als auch im optischen Bereich zu nutzen.
Die von der EPFL, der ETH Zürich und der Universität Harvard durchgeführte Arbeit wurde veröffentlicht inNaturkommunikation.
Cristina Benea-Chelmus, die die Forschung im Labor für Hybridphotonik (HYLAB) der Technischen Fakultät der EPFL leitete, erklärte, dass Terahertzwellen zwar bereits zuvor im Labor erzeugt worden seien, bisherige Ansätze jedoch hauptsächlich auf Kristalle angewiesen gewesen seien, um die richtigen Frequenzen zu erzeugen. Der Einsatz eines photonischen Schaltkreises aus Lithiumniobat, der von Mitarbeitern der Harvard University im Nanometerbereich fein geätzt wurde, ermögliche in ihrem Labor einen deutlich effizienteren Ansatz. Durch die Verwendung eines Siliziumsubstrats eignet sich das Gerät zudem für die Integration in elektronische und optische Systeme.
„Die Erzeugung von Wellen mit sehr hohen Frequenzen ist eine große Herausforderung, und es gibt nur wenige Techniken, die sie mit einzigartigen Mustern erzeugen können“, erklärte sie. „Wir sind jetzt in der Lage, die exakte zeitliche Form von Terahertz-Wellen zu konstruieren – im Grunde genommen können wir sagen: ‚Ich möchte eine Wellenform, die so aussieht.‘“
Um dies zu erreichen, entwarf das Labor von Benea-Chelmus die Anordnung der Kanäle des Chips, sogenannte Wellenleiter, so, dass mikroskopische Antennen zum Senden von Terahertz-Wellen verwendet werden konnten, die durch Licht aus Glasfasern erzeugt wurden.
„Dass unser Gerät bereits ein Standard-Optiksignal nutzt, ist ein echter Vorteil. Das bedeutet, dass diese neuen Chips mit herkömmlichen Lasern verwendet werden können, die sehr gut funktionieren und gut erforscht sind. Das bedeutet, dass unser Gerät telekommunikationskompatibel ist“, betonte Benea-Chelmus. Sie fügte hinzu, dass miniaturisierte Geräte, die Signale im Terahertz-Bereich senden und empfangen, eine Schlüsselrolle in Mobilfunksystemen der sechsten Generation (6G) spielen könnten.
In der Optik sieht Benea-Chelmus besonderes Potenzial für miniaturisierte Lithiumniobat-Chips in der Spektroskopie und Bildgebung. Terahertzwellen sind nicht nur nichtionisierend, sondern haben auch eine deutlich niedrigere Energie als viele andere Wellenarten (wie Röntgenstrahlen), die derzeit verwendet werden, um Informationen über die Zusammensetzung eines Materials zu liefern – sei es ein Knochen oder ein Ölgemälde. Ein kompaktes, zerstörungsfreies Gerät wie der Lithiumniobat-Chip könnte daher eine weniger invasive Alternative zu aktuellen spektrografischen Techniken darstellen.
„Man könnte sich vorstellen, Terahertz-Strahlung durch ein Material zu senden, das einen interessiert, und diese zu analysieren, um die Reaktion des Materials in Abhängigkeit von seiner Molekülstruktur zu messen. Und das alles mit einem Gerät, das kleiner ist als ein Streichholzkopf“, sagte sie.
Als nächstes will Benea-Chelmus die Eigenschaften der Wellenleiter und Antennen des Chips optimieren, um Wellenformen mit größeren Amplituden sowie feiner abgestimmten Frequenzen und Abklingraten zu erzeugen. Sie sieht zudem Potenzial für die in ihrem Labor entwickelte Terahertz-Technologie für Quantenanwendungen.
„Es gibt viele grundlegende Fragen zu klären. Beispielsweise interessiert uns, ob wir mit solchen Chips neuartige Quantenstrahlung erzeugen können, die sich in extrem kurzen Zeiträumen manipulieren lässt. Solche Wellen könnten in der Quantenwissenschaft zur Steuerung von Quantenobjekten genutzt werden“, schloss sie.
Veröffentlichungszeit: 14. Februar 2023
