Ultradünner Chip misst Terahertz-Licht

Wiener Forscher haben ultradünne Lichtdetektoren insbesondere für Terahertz-Strahlung entwickelt. [...]

Metamaterial-Trick macht Strahlung messbar (c) photonik.tuwien.ac.at
Metamaterial-Trick macht Strahlung messbar

Das neue Design kombiniert erstmals ein sogenanntes Metamaterial mit ultradünnen Schichtsystemen, wie sie auch in Quanten-Kaskaden-Lasern zum Einsatz kommen. „Der Vorteil ist, dass man so Laser und Detektor hochkompakt in einem Chip verbauen kann“, erläutert Michael Krall, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Photonik der TU Wien, im Gespräch mit der Nachrichtenagentur pressetext. Das ist vielversprechend für diverse potenzielle Anwendungen.

Dabei ist die TU-Entwicklung als allgemeine technische Grundlage gedacht. „Die Anwendungen kommen, wenn die nötige Technologie dafür da ist“, begründet Krall. Denn grundsätzlich gelten Terahertz-Wellen als interessant für ein breites Spektrum an möglichen Einsatzbereichen. Das umfasst Sicherheitstechnik ebenso wie Materialprüfung, medizinische Diagnostik oder auch die Datenübertragung.

Die Neuentwicklung setzt auf ultradünne Schichtsysteme aus Halbleitermaterialien. „Sie haben den großen Vorteil, dass man ihre elektronischen Eigenschaften sehr gut beeinflussen kann“, erklärt Karl Unterrainer, Professor am Institut für Photonik der TU Wien. Das ermöglicht beispielsweise die sehr kompakten Quanten-Kaskaden-Laser und ist auch für Lichtdetektoren interessant. Dabei besteht aber das Problem, dass Photonen mit bestimmter Polarisation nicht mit den Elektronen im Schichtsystem wechselwirken können. Speziell frontal einfallendes Licht ist daher nicht detektierbar. Um Abhilfe zu schaffen, hat das TU-Team auf Metamaterialien gesetzt.

Solche künstlich gefertigte Materialien haben ungewöhnliche Lichtleitungseigenschaften und sind nicht zuletzt durch Experimente mit winzigen Labor-Tarnkappen bekannt geworden. Beim aktuellen Detektor wird freilich nichts unsichtbar. Vielmehr kommt hier ein Metamaterial zum Einsatz, das speziell darauf ausgelegt ist, die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts zu drehen. Dadurch können Photonen optimal an die Elektronen im Halbleiter ankoppeln, um ein elektrisches Signal auszulösen. So kann der Detektor, der über 1.000 Mal dünner ist als die Wellenlänge des Lichts, Terahertz-Strahlung wirklich effektiv detektieren.

Die Entwicklung ermöglich es, Lichtdetektoren für Terahertz-Wellen direkt in einen Chip einzubauen. „Mit ganz konventionellen Herstellungsmethoden könnte man auf diese Weise große Arrays von Detektoren herstellen“, betont Unterrainer. Daraus ergibt sich ein sehr breites Anwendungspotenzial, denn Terahertz-Strahlung gilt in vielen Bereichen als Zukunftshoffnung. Das liegt nicht zuletzt daran, dass diese Strahlung Materialien gut durchdringen kann. So gibt es die Vision, dass Smartphones damit durch Wände sehen könnten.

Weitere potenzielle Einsatzbereiche für Terahertz-Strahlung umfassen Scanner für die Materialprüfung oder im Sicherheitsbereich auch Geräte zur medizinischen Diagnostik sowie Sensoren zum Nachweis diverser Chemikalie. Im IT-Bereich wäre ein WLAN-Nachfolger denkbar. „Es gibt Überlegungen, höhere Frequenzen im Terahertz-Bereich für schnellere Datenübertragung zu nutzen“, meint Krall. Dafür könnten integrierte Sender und Empfänger auf der technischen Basis der aktuellen TU-Entwicklung interessant sein. (pte)

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