På det elektromagnetiska spektrumet, terahertz-ljus ligger mellan infraröd strålning och mikrovågor. Det rymmer en enorm potential för morgondagens teknologier:Bl.a. det kan lyckas med 5G genom att möjliggöra extremt snabba mobilkommunikationsanslutningar och trådlösa nätverk. Flaskhalsen i övergången från gigahertz till terahertzfrekvenser har orsakats av otillräckligt effektiva källor och omvandlare. En tysk-spansk forskargrupp med deltagande av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har nu utvecklat ett materialsystem för att generera terahertz-pulser mycket mer effektivt än tidigare. Den är baserad på grafen, d.v.s. ett supertunt kolskikt, belagd med en metallisk lamellstruktur. Forskargruppen presenterade sina resultat i tidskriften ACS Nano .

För en tid sedan, ett team av experter som arbetade på HZDR-acceleratorn ELBE kunde visa att grafen kan fungera som en frekvensmultiplikator:När det tvådimensionella kolet bestrålas med ljuspulser i det låga terahertz-frekvensområdet, dessa omvandlas till högre frekvenser. Tills nu, problemet har varit att extremt starka insignaler, som i sin tur bara kunde produceras av en fullskalig partikelaccelerator, krävdes för att generera sådana terahertz-pulser effektivt." Detta är uppenbarligen opraktiskt för framtida tekniska tillämpningar, " förklarar studiens huvudförfattare Jan-Christoph Deinert från Institute of Radiation Physics vid HZDR. "Så, vi letade efter ett materialsystem som också fungerar med en mycket mindre våldsam input, d.v.s. med lägre fältstyrkor."

För det här syftet, HZDR-forskare, tillsammans med kollegor från Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), Institutet för fotoniska vetenskaper (ICFO), universitetet i Bielefeld, TU Berlin och det Mainz-baserade Max Planck Institute for Polymer Research, kom på en ny idé:frekvensomvandlingen kunde förbättras enormt genom att belägga grafenet med små guldlameller, som har en fascinerande egenskap:"De fungerar som antenner som avsevärt förstärker den inkommande terahertzstrålningen i grafen, " förklarar projektkoordinator Klaas-Jan Tielrooij från ICN2. "Som ett resultat, vi får väldigt starka fält där grafenet exponeras mellan lamellerna. Detta gör att vi kan generera terahertz-pulser mycket effektivt."

Överraskande effektiv frekvensmultiplikation

För att testa idén, teammedlemmar från ICN2 i Barcelona producerade prover:Först, de applicerade ett enda grafenlager på en glasbärare. Överst, de ångavsatte ett ultratunt isolerande lager av aluminiumoxid, följt av ett galler av guldremsor. Proverna togs sedan till TELBE terahertz anläggning i Dresden-Rossendorf, där de träffades med ljuspulser i det låga terahertzområdet (0,3 till 0,7 THz). Under denna process, experterna använde speciella detektorer för att analysera hur effektivt grafenet belagt med guldlameller kan multiplicera frekvensen av den infallande strålningen.

"Det fungerade väldigt bra, " Sergey Kovalev rapporterar gärna. Han är ansvarig för TELBE-anläggningen vid HZDR. "Jämfört med obehandlad grafen, mycket svagare insignaler räckte för att producera en frekvensmultiplicerad signal." Uttryckt i siffror, bara en tiondel av den ursprungligen krävda fältstyrkan var tillräckligt för att observera frekvensmultiplikationen. Och vid tekniskt relevanta låga fältstyrkor, kraften hos de konverterade terahertz-pulserna är mer än tusen gånger starkare tack vare det nya materialsystemet. Ju bredare de enskilda lamellerna är och desto mindre områden av grafen som lämnas exponerade, desto mer uttalad är fenomenet. Initialt, experterna kunde tredubbla de inkommande frekvenserna. Senare, de uppnådde ännu större effekter – femfaldigt, sjufaldig, och till och med niofaldig ökning av ingångsfrekvensen.

Kompatibel med chipteknologi

Detta erbjuder ett mycket intressant perspektiv, för tills nu, forskare har behövt stora, komplexa enheter som acceleratorer eller stora lasrar för att generera terahertzvågor. Tack vare det nya materialet, det kan också vara möjligt att uppnå språnget från gigahertz till terahertz enbart med elektriska insignaler, d.v.s. med mycket mindre ansträngning. "Vårt grafenbaserade metamaterial skulle vara ganska kompatibelt med nuvarande halvledarteknologi, " Deinert betonar. "I princip, det skulle kunna integreras i vanliga chips." Han och hans team har bevisat genomförbarheten av den nya processen - nu kan implementering i specifika sammansättningar bli möjlig.

De potentiella tillämpningarna kan vara stora:Eftersom terahertzvågor har högre frekvenser än de gigahertz-mobilkommunikationsfrekvenser som används idag, de skulle kunna användas för att överföra betydligt mer trådlös data—5G skulle bli 6G. Men terahertz-sortimentet är också av intresse för andra områden – från kvalitetskontroll inom industrin och säkerhetsskannrar på flygplatser till en mängd olika vetenskapliga tillämpningar inom materialforskning, till exempel.