Op het elektromagnetische spectrum, terahertz-licht bevindt zich tussen infraroodstraling en microgolven. Het heeft een enorm potentieel voor de technologieën van morgen:onder andere het zou 5G kunnen slagen door extreem snelle mobiele communicatieverbindingen en draadloze netwerken mogelijk te maken. Het knelpunt in de overgang van gigahertz- naar terahertz-frequenties wordt veroorzaakt door onvoldoende efficiënte bronnen en converters. Een Duits-Spaans onderzoeksteam met medewerking van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) heeft nu een materiaalsysteem ontwikkeld om terahertz-pulsen veel effectiever dan voorheen te genereren. Het is gebaseerd op grafeen, d.w.z., een superdunne carbonplaat, gecoat met een metalen lamellaire structuur. De onderzoeksgroep presenteerde haar resultaten in het tijdschrift ACS Nano .

Een tijdje geleden, een team van experts dat aan de HZDR-versneller ELBE werkte, kon aantonen dat grafeen kan fungeren als een frequentievermenigvuldiger:wanneer de tweedimensionale koolstof wordt bestraald met lichtpulsen in het lage terahertz-frequentiebereik, deze worden omgezet naar hogere frequenties. Tot nu, het probleem was dat extreem sterke ingangssignalen, die op zijn beurt alleen kan worden geproduceerd door een deeltjesversneller op ware grootte, nodig waren om dergelijke terahertz-pulsen efficiënt te genereren." Dit is duidelijk onpraktisch voor toekomstige technische toepassingen, " legt de hoofdauteur van de studie, Jan-Christoph Deinert van het Institute of Radiation Physics bij HZDR, uit. "Dus, we zochten een materieel systeem dat ook werkt met een veel minder gewelddadige input, d.w.z., met lagere veldsterktes."

Voor dit doeleinde, HZDR-wetenschappers, samen met collega's van het Catalaanse Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2), het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO), de universiteit van Bielefeld, TU Berlijn en het in Mainz gevestigde Max Planck Institute for Polymer Research, kwam met een nieuw idee:de frequentieconversie kon enorm worden verbeterd door het grafeen te bekleden met kleine gouden lamellen, die een fascinerende eigenschap bezitten:"Ze werken als antennes die de binnenkomende terahertz-straling in grafeen aanzienlijk versterken, legt projectcoördinator Klaas-Jan Tielrooij van ICN2 uit. we krijgen zeer sterke velden waar het grafeen tussen de lamellen wordt belicht. Hierdoor kunnen we heel efficiënt terahertz-pulsen genereren."

Verrassend effectieve frequentievermenigvuldiging

Om het idee te testen, teamleden van ICN2 in Barcelona produceerden monsters:eerst, ze brachten een enkele grafeenlaag aan op een glazen drager. Bovenop, ze hebben een ultradunne isolerende laag aluminiumoxide opgedampt, gevolgd door een rooster van gouden strips. De monsters werden vervolgens naar de TELBE terahertz-faciliteit in Dresden-Rossendorf gebracht, waar ze werden geraakt met lichtpulsen in het lage terahertz-bereik (0,3 tot 0,7 THz). Tijdens dit proces, de experts gebruikten speciale detectoren om te analyseren hoe effectief het met gouden lamellen bedekte grafeen de frequentie van de invallende straling kan vermenigvuldigen.

"Het werkte heel goed, " Sergey Kovalev is verheugd te kunnen melden. Hij is verantwoordelijk voor de TELBE-faciliteit bij HZDR. "Vergeleken met onbehandeld grafeen, veel zwakkere ingangssignalen waren voldoende om een ​​frequentievermenigvuldigd signaal te produceren." slechts een tiende van de oorspronkelijk benodigde veldsterkte was voldoende om de frequentievermenigvuldiging waar te nemen. En bij technologisch relevante lage veldsterktes, de kracht van de geconverteerde terahertz-pulsen is meer dan duizend keer sterker dankzij het nieuwe materiaalsysteem. Hoe breder de afzonderlijke lamellen en hoe kleiner de grafeengebieden die worden blootgesteld, hoe meer uitgesproken het fenomeen. aanvankelijk, de experts waren in staat om de inkomende frequenties te verdrievoudigen. Later, ze bereikten nog grotere effecten - vijfvoudig, zevenvoudig, en zelfs negenvoudige verhogingen van de ingangsfrequentie.

Compatibel met chiptechnologie

Dit biedt een zeer interessant vooruitzicht, want tot nu toe wetenschappers hadden grote, complexe apparaten zoals versnellers of grote lasers om terahertz-golven te genereren. Dankzij het nieuwe materiaal het zou ook mogelijk kunnen zijn om de sprong van gigahertz naar terahertz te maken puur met elektrische ingangssignalen, d.w.z., met veel minder moeite. "Ons op grafeen gebaseerd metamateriaal zou behoorlijk compatibel zijn met de huidige halfgeleidertechnologie, benadrukt Deinert. "In principe het zou in gewone chips kunnen worden geïntegreerd." Hij en zijn team hebben de haalbaarheid van het nieuwe proces bewezen - nu kan implementatie in specifieke assemblages mogelijk worden.

De potentiële toepassingen kunnen enorm zijn:aangezien terahertz-golven hogere frequenties hebben dan de gigahertz-frequenties voor mobiele communicatie die tegenwoordig worden gebruikt, ze zouden kunnen worden gebruikt om aanzienlijk meer draadloze gegevens te verzenden - 5G zou 6G worden. Maar het terahertz-assortiment is ook interessant voor andere gebieden - van kwaliteitscontrole in de industrie en beveiligingsscanners op luchthavens tot een breed scala aan wetenschappelijke toepassingen in materiaalonderzoek, bijvoorbeeld.