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Helmholtz Dresden arbeitet an Terahertz-Wandlern für 6G-Mobilfunk

Die Visualisierung veranschaulicht das Prinzip des neuen Wandlers: Terahertz-Impulse treffen von oben auf das Graphen-Atomnetz und dort bilden sich dann infrarote oder sichtbare Lichtteilchen für den Datentransport per Glasfaserkabel. Grafik: B. Schröder für das HZDR

Die Visualisierung veranschaulicht das Prinzip des neuen Wandlers: Terahertz-Impulse treffen von oben auf das Graphen-Atomnetz und dort bilden sich dann infrarote oder sichtbare Lichtteilchen für den Datentransport per Glasfaserkabel. Grafik: B. Schröder für das HZDR

Speziell designte 2D-Kohlenstoffnetze können Nacktscanner-Strahlen in Licht umwandeln

Dresden-Rossendorf, 16. Juni 2023. Nach dem Mobilfunk der 5. Generation (5G), der sich inzwischen mehr und mehr durchsetzt, forschen Ingenieure und Physiker weltweit inzwischen bereits am Nachfolger 6G. Auch Experten der TU Dresden tüfteln schon am Mobilfunk der 6. Generation, indirekt aber auch das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Dort nämlich arbeiten Wissenschaftler derzeit an speziell designten zweidimensionalen Kohlenstoffnetzen aus Graphen, die die benötigten hohen 6G-Trägerfrequenzen über 100 Gigahertz sehr schnell in sichtbares Licht umwandeln können. Das geht aus einer HZDR-Mitteilung hervor.

Terahertz-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Sie eignet sich gut, um Materialeigenschaften zu untersuchen. Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf bietet mit der Terahertz-Quelle im Elbe-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen vielfältige Experimentiermöglichkeiten für Forscher aus aller Welt. Foto: HZDR/Frank Bierstedt

Das Archivfoto zeigt eine Terahertz-Quelle am Elbe-Beschleuniger im HZDR. Foto: HZDR/Frank Bierstedt

Terahertz-Strahlen müssen für Glasfaser-Reise erst „sichtbar“ gemacht werden

Solche Wandler wären besonders wichtig. Denn die von den sogenannten „Nacktscannern“ am Flughafen bekannte Terahertz-Strahlung schwingt zwar sehr schnell, hat aber nur eine kurze Reichweite. „Daher wird ein schneller und kontrollierbarer Mechanismus zur Umwandlung von Terahertz-Wellen in sichtbares oder infrarotes Licht benötigt, das über lange Distanzen in optischen Fasern transportiert werden kann“, betont Dr. Igor Ilyakov vom HZDR-Institut für Strahlenphysik. „Auch Bildgebungs- und Sensortechnologien könnten von einem solchen Mechanismus profitieren.“

Graphen besteht im Idealfall jeweils aus nur einer Lage von zweidimensional vernetzten Kohlenstoff-Atomen. Solche 2D-Materialien haben - je nach konkretem Design - ganz besondere Eigenschaften. Sie können beispielsweise Strom sehr gut leiten, Wasserstoff speichern, besonders feste Werkstoffe abgeben - oder eben Terahertz-Strahlen umwandeln. Visualisierung: Dall-E

Graphen besteht im Idealfall jeweils aus nur einer Lage von zweidimensional vernetzten Kohlenstoff-Atomen. Solche 2D-Materialien haben – je nach konkretem Design – ganz besondere Eigenschaften. Sie können beispielsweise Strom sehr gut leiten, Wasserstoff speichern, besonders feste Werkstoffe abgeben – oder eben Terahertz-Strahlen umwandeln. Visualisierung: Dall-E

Mechanismus im Graphen erforscht

Und diese Umwandlung vermögen eben 2D-Netze aus Kohlenstoffnetzen, wenn man sie mit bestimmten Fremdatomen spickt (dotiert) oder sie in ein Metamaterial mit eigens designten Eigenschaften transformiert. Um diesen Mechanismus zu erforschen, haben sich die HZDR-Forscher mit Kollegen vom „Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology“ (ICN2), der „University of Exeter – Centre for Graphene Science“ und der TU Eindhoven zusammengetan. Und sie haben auch eine Erklärung parat, wie die Wandlung im Kohlenstoff-Atomnetz abläuft: „Wir führen die Lichtfrequenzumwandlung in Graphen auf einen Terahertz-induzierten thermischen Strahlungsmechanismus zurück, das heißt, die Ladungsträger absorbieren elektromagnetische Energie aus dem einfallenden Terahertz-Feld“, erklärt Prof. Klaas-Jan Tielrooij von der Uni Eindhoven. „Die absorbierte Energie verteilt sich schnell im Material, was zu einer Erwärmung der Ladungsträger führt. Dies führt schließlich zur Emission von Photonen im sichtbaren Spektrum, ganz so wie Licht, das von jedem aufgeheizten Objekt emittiert wird.“

6G kommt gegen Ende des Jahrzehnts

Bis zu Graphen-Wandlerchips für den Praxiseinsatz in 6G-Netzwerkanlagen wird es aber noch eine Weile dauern: Einerseits ist weitere Vorlaufforschung nötig, um den Wandeleffekt effizient zu kontrollieren. Auch müssen sich dann noch Entwickler und Hersteller für das benötgte Spezial-Graphen und die Schaltkreise finden. Früheren Schätzungen von Dresdner Mobilfunkexperten zufolge könnte der 6G-Standard etwa im Jahr 2025 festgeschrieben und dann zwischen 2028 und 2030 scharf geschaltet werden.

Autor: hw

Quellen: HZDR, Oiger-Archiv

Wissenschaftliche Publikation:

I. Ilyakov, A. Ponomaryov u. a.: „Ultrafast Tunable Terahertz-to-Visible Light Conversion through Thermal Radiation from Graphene Metamaterials“, in: „Nano Letters“, 2023, im netz zu finden unter: DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00507

Repro: Oiger, Original: Madeleine Arndt