Forschung, News, zAufi
Schreibe einen Kommentar

Superschneller Internetfunk durch Terahertz-Chips

Physiker Michael Kuntzsch arbeitet an der TELBE-Anlage, die in Dresden-Rossendorf besonders brillante Terahertz-Strahlung erzeugt. Die Forscher versprechen sich noch Großes von den Analyse-Fähigkeiten dieser Durchlechtungstechnik. Foto: HZDR/Frank Bierstedt

Physiker Michael Kuntzsch arbeitet an der TELBE-Anlage, die in Dresden-Rossendorf besonders brillante Terahertz-Strahlung erzeugt. Die Forscher versprechen sich noch Großes von den Analyse-Fähigkeiten dieser Durchlechtungstechnik. Foto: HZDR/Frank Bierstedt

Hauchdünne Schichten sollen für mehr Tempo in WLAN-Chips sorgen

Dresden, 27. Juli 2016. Wissenschaftler aus Dresden und Dublin haben einen vielversprechenden technologischen Ansatz gefunden, der Notebooks und anderen mobilen Computern in Zukunft deutlich schnellere Internet-Funkzugänge ermöglichen könnte als bisher. Die Teams am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) und am irischen Trinity College Dublin brachten hauchdünne Schichten aus einer speziellen Verbindung von Mangan und Gallium dazu, sehr effizient Strahlung im sogenannten Terahertz-Frequenzbereich auszusenden. Als Sender in WLAN-Funknetzen eingesetzt, könnten die höheren Frequenzen die Datenraten zukünftiger Kommunikations-Netzwerke spürbar erhöhen.

„Ansatz technologisch sehr interessant“

„Wir halten diesen Ansatz für technologisch sehr interessant“, betont Dr. Michael Gensch, Leiter einer Arbeitsgruppe am HZDR, die sich mit den wissenschaftlichen Anwendungen von hohen Terahertz-Feldern in den Material- und Lebenswissenschaften beschäftigt. Sein Team hat die neuen Schichten mit Lasern sowie mit kurzen, besonders starken Terahertz-Pulsen vermessen. Bisher sind erst wenige und meist recht aufwendige Varianten für die Erzeugung von „einfarbiger“ Terahertz-Strahlung bekannt.Die jetzt untersuchten Dünnschichten dagegen sind billige und für eine Großproduktion gut geeignete Quellen für Terahertz-Strahlen mit exakt einstellbarer Wellenlänge. „Ich halte es für sehr gut vorstellbar, dass es möglich ist, diese Schichten auf Chips zu integrieren“, schätzt Dr. Alina Deac ein, Leiterin der Helmholtz-Nachwuchsgruppe für Spinelektronik am HZDR.

Dr. Michael Gensch. Foto: HZDR

Dr. Michael Gensch. Foto: HZDR

Heutige WLAN-Sender in Computertelefonen und Notebooks arbeiten oft mit Frequenzen zwischen 2,4 und 5 Gigahertz (Milliarden Schwingungen pro Sekunde). Über diese Funkverbindungen können sie in der Praxis Daten höchstens mit einem Tempo von 600 Megabit je Sekunde drahtlos übertragen. Mit diesem Tempo kann zum Beispiel eine Daten-DVD im besten Falle binnen einer Minute drahtlos übertragen werden.

Ganze DVDs binnen weniger Sekunden drahtlos übertragbar

Da die Faustregel gilt „Je höher die Frequenz, umso höher die maximal erzielbare Datenrate“, könnte ein Terahertz-WLAN auf eine Ladegeschwindigkeit von bis zu 100 Gigabit je Sekunde kommen. Rein theoretisch wäre solch ein WLAN fähig, Dutzende DVDs pro Minute übertragen. Zur Erinnerung an dem Physikunterricht: Der Vorsatz „Mega“ entspricht einer Million, „Giga“ ist eine Milliarde und „Tera“ eine Billion.

1.000 Mal dünner als ein Blatt Papier

Für die Experimente der internationalen Gruppe hatten Dr. Karsten Rode und seine Arbeitsgruppe am „Trinity College Dublin“ besondere Schichten aus verschiedenen Verbindungen der Elemente Gallium und Mangan verwendet. Diese Verbindungen nennen sich Heusler-Legierungen. Sie sind nach dem deutschen Chemiker Friedrich Heusler (1866-1947) benannt und haben eine Besonderheit: Zusammengefügt sind sie magnetisch, obwohl ihre Elemente nichtmagnetisch sind.

Das synchrone Oszillieren der Magnetisierung M führt zur Abstrahlung von schmalbandiger Terahertz-Strahlung, deren Frequenz durch die Komposition der dünnen Schichten aus Mangan und Gallium präzise eingestellt werden kann. Grafik: HZDR

Das synchrone Oszillieren der Magnetisierung M führt zur Abstrahlung von schmalbandiger Terahertz-Strahlung, deren Frequenz durch die Komposition der dünnen Schichten aus Mangan und Gallium präzise eingestellt werden kann. Grafik: HZDR

Spins pendeln und senden Terahertz-Strahlen aus

Die erzeugten Schichte, auch „Filme“ genannt, sind nur 45 bis 65 Millionstel Millimeter (Nanometer) dünn. Zum Vergleich: 1.000 solcher Schichten übereinandergestapelt ergeben gerade mal die Dicke eines Papierblattes. Diese hauchdünnen Filme regten die Wissenschaftler in Dresden-Rossendorf dann mit intensiven Laser-Pulsen an. Durch diese Anregung entsteht eine synchrone Pendelbewegung der sogenannten „Spins“ in den Nanoschichten, die zur Abstrahlung von Terahertz-Strahlung führt. „Spins“ sind eine Eigenschaft von Elektronen und anderen winzigen Teilchen, die sich mit einer Drehrichtung vergleichen lässt. Je nachdem, ob die Spins in einem Werkstoff alle in die gleiche Richtung „drehen“, sind diese Materialien dann magnetisch oder eben nicht. Daher nennen die Wissenschaftler die Spins auch „magnetische Momente“.

Technologisch interessant ist nun, dass Dr. Rode und seine Kollegen die Frequenz der abgestrahlten Terahertz-Wellen präzise durch die Komposition der Mangan-Gallium-Verbindung einstellen können. „Die Emission ist zudem ein überraschend effizienter Prozess“, betonte Michael Gensch vom HZDR. „Damit handelt es sich bei den von uns untersuchten Schichten um eine einzigartige Technologie, um Terahertz-Strahlung zu erzeugen und die Frequenz dieser Strahlung nach Wunsch einzustellen.“ Dies ist eine wichtige Voraussetzung für Kommunikationsgeräte und Netzwerke der kommenden Generation.

Um die physikalischen Prozesse dahinter zu verstehen, nutzten die Forscher die neue Terahertz-Anlage „TELBE“ im „ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen“ des HZDR. „TELBE hat es uns ermöglicht, die kohärente Anregung der magnetischen Momente im elektronischen Grundzustand direkt zu vermessen“, erklärt Michael Gensch.

WLAN mit Gigabit-Tempo könnte die Terahertz-Technologie ermöglichen. Hier einer der vielen kostenlosen WiFi-Internetzugänge auf Kreta. Foto: Heiko Weckbrodt

WLAN mit Gigabit-Tempo könnte die Terahertz-Technologie ermöglichen. Hier einer der vielen kostenlosen WiFi-Internetzugänge in Herakleion auf Kreta. Foto: Heiko Weckbrodt

Folgeprojekt soll zu Protoptypen führen

Angesichts der vielversprechenden Labor-Ergebnisse wollen die HZDR-Forscher nun den Weg hin in Richtung produktionsreifer superschneller WLAN-Sendemodule ein Stück weiter gehen. Als nächstes wollen die Forscher die Sendeleistung der Terahertz-Schichten erhöhen, indem sie mehrere Filme übereinander stapeln. In einem Folgeprojekt wollen sie ihre Dünnschichten elektrisch statt mit aufwendigen Laser-Pulsen dazu anregen, Terahertz-Strahlen auszusenden. Wenn das funktioniert, könnte am Ende des Projektes der Weg geebnet sein für einen ersten Prototypen für Terahertz-WLAN-Module.

Autor: Heiko Weckbrodt

Hinweis: Dieser Beitrag ist in ähnlicher Form ursprünglich für das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf entstanden und hier auch online zu finden.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.