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Vervielfacher für Terahertz-Handys

Ein niederfrequenter 500-GHz-Puls (rot) trifft auf das Metamaterial aus topologischem Isolator mit aufgebrachten Goldlamellen. An der Oberfläche der Probe werden neue Terahertz-Wellen mit dem Vielfachen der Eingangsfrequenz erzeugt (gelb). Grafik: Werkstatt X für das HZDR

Ein niederfrequenter 500-GHz-Puls (rot) trifft auf das Metamaterial aus topologischem Isolator mit aufgebrachten Goldlamellen. An der Oberfläche der Probe werden neue Terahertz-Wellen mit dem Vielfachen der Eingangsfrequenz erzeugt (gelb).
Grafik: Werkstatt X für das HZDR

Forscher aus Sachsen, Bayern und Katalonien setzen für superschnelle Datentransfers auf neues Quantenmaterial mit Goldeffekt

Dresden, 6. November 2022. Damit sich Terahertz-Signale für den Mobilfunk der kommenden sechsten Generation (6G) leichter auf kleinstem Raum erzeugen lassen, haben Forscher aus Sachsen, Bayern und Katalonien nun einen Frequenz-Erhöher aus einem maßgeschneiderten Quantenmaterial entwickelt. Das geht aus einer Mitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) hervor, dessen Wissenschaftler gemeinsam mit Teams der Uni Würzburg und des Katalanischen Instituts für Nanowissenschaften und Nanotechnologie an dem neuen Quantenmaterial gearbeitet haben.

Topologischer Isolator mit edlen Lamellen

Dabei handelt es sich um einen sogenannten „topologischen Isolator“ aus Wismut und Selen, der Elektronen nur auf seiner Oberfläche leitet, im Innern aber abblockt. Zusätzlich haben die Wissenschaftler noch obendrauf Goldlamellen aufgedampft, die wie kleine Antennen wirken. Dieser „Booster“ kann die Frequenz von Gigahertz-Signalen, die sich bereits mit herkömmlicher Elektronik erzeugen lassen, ververvielfachen. Künftige Mobilfunk-Chips auf dieser Basis könnten dann womöglich Daten noch weit schneller übertragen als es heutige Mobiltelefone vermögen.

„Wenig erforschte Quantenphänomene im Grenzbereich ultraschneller Elektronik“

Bis zum marktreifen 6G-Handy ist es aber noch ein weiter Weg: „Terahertz-Anregungen sind genau der Grenzbereich ultraschneller Elektronik, in dem viele noch wenig erforschte Quantenphänomene relevant werden“, betont Gruppenleiter Dr. Sergey Kovalev. „Für neue optoelektronische Bauteile müssen wir erst herausfinden, welche Materialien und Methoden sich überhaupt eignen.“

Internationale Teams sehen noch Luft nach oben

Mittlerweile sind die Wissenschaftler aber überzeugt, auf dem richtigen Weg zu sein: „Das System ist selbst bei Raumtemperatur außerordentlich effizient“, erklärt Dr. Georgy Astakhov, der im HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik die Abteilung Quantenmaterialien und -technologie leitet. „Und wir haben die Grenze noch nicht erreicht: Vermutlich können wir die Leistung für höhere Intensitäten sogar noch weiter steigern.“

Graphen schied in der Vorrunde aus

Ursprünglich hatten die Teams mit Graphen experimentiert, also zweidimensionalen Kohlenstoffnetzen. Doch weil sich das hauchdünne Material unter Gigahertz-Beschuss rasch auf mehrere 1000 Grad erhitzte und einen Hitzestau produzierte, schied es bald aus. Daher schwenkten die Wissenschaftler auf speziell designte Quantenmaterialien um. Damit erreichten sie dann eine Umwandlungseffizienz von fast 10 Prozent der elektrischen Feldstärke anstelle von zuvor rund einem Prozent.

Wissenschaftliche Publikation:

K.-J. Tielrooij, A. Principi, D. S. Reig, A. Block, S. Varghese, S. Schreyeck, K. Brunner, G. Karczewski, I. Ilyakov, O. Ponomaryov, T. V. A. G. de Oliveira, M. Chen, J.-C. Deinert, C. G. Carbonell, S. O. Valenzuela, L. W. Molenkamp, T. Kiessling, G. V. Astakhov, S. Kovalev: Milliwatt terahertz harmonic generation from topological insulator metamaterials, in Light: Science & Applications, 2022 (DOI: 10.1038/s41377-022-01008-y)

Autor: hw

Quelle: HZDR