Onderzoeksteam ontwikkelt een nieuw materiaalsysteem om terahertz-golven om te zetten en te genereren

In het elektromagnetische spectrum bevindt terahertz-licht zich tussen infraroodstraling en microgolven. Het heeft een enorm potentieel voor de technologieën van morgen: het zou onder andere 5G kunnen opvolgen door extreem snelle mobiele communicatieverbindingen en draadloze netwerken mogelijk te maken. De bottleneck in de overgang van gigahertz- naar terahertz-frequenties wordt veroorzaakt door onvoldoende efficiënte bronnen en converters. Een Duits-Spaans onderzoeksteam met deelname van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) heeft nu een materiaalsysteem ontwikkeld om terahertz-pulsen veel effectiever te genereren dan voorheen. Het is gebaseerd op grafeen, dat wil zeggen een superdunne koolstofplaat, bedekt met een metalen lamellaire structuur. De onderzoeksgroep presenteerde haar resultaten in het tijdschrift ACS Nano.

Enige tijd geleden kon een team van experts dat aan de HZDR-versneller ELBE werkte, aantonen dat grafeen als frequentievermenigvuldiger kan werken: wanneer de tweedimensionale koolstof wordt bestraald met lichtpulsen in het lage terahertz-frequentiebereik, worden deze omgezet naar hogere frequenties. frequenties. Tot nu toe was het probleem dat extreem sterke ingangssignalen, die op hun beurt alleen konden worden geproduceerd door een deeltjesversneller op ware schaal, nodig waren om dergelijke terahertz-pulsen efficiënt te genereren. “Dit is duidelijk onpraktisch voor toekomstige technische toepassingen”, legt de hoofdauteur van de studie Jan-Christoph Deinert van het Instituut voor Stralingsfysica aan de HZDR. “We zochten dus naar een materiaalsysteem dat ook werkt met een veel minder gewelddadige input, dus met lagere veldsterktes.”

Hiervoor hebben HZDR-wetenschappers, samen met collega’s van het Catalaans Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (ICN2), het Instituut voor Fotonische Wetenschappen (ICFO), de Universiteit van Bielefeld, TU Berlijn en het in Mainz gevestigde Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek, kwam met een nieuw idee: de frequentieconversie zou enorm kunnen worden verbeterd door het grafeen te bedekken met kleine gouden lamellen, die een fascinerende eigenschap bezitten: “Ze werken als antennes die de binnenkomende terahertz-straling in grafeen aanzienlijk versterken”, legt projectcoördinator Klaas- Jan Tielrooij van ICN2. “Het resultaat is dat we zeer sterke velden krijgen waar het grafeen tussen de lamellen wordt blootgesteld. Hierdoor kunnen we zeer efficiënt terahertz-pulsen genereren.”

Verrassend effectieve frequentievermenigvuldiging

Om het idee te testen, maakten teamleden van ICN2 in Barcelona monsters: eerst brachten ze een enkele laag grafeen aan op een glazen drager. Bovenop hebben ze een ultradunne isolatielaag van aluminiumoxide opgedampt, gevolgd door een rooster van gouden strips. De monsters werden vervolgens naar de TELBE terahertz-faciliteit in Dresden-Rossendorf gebracht, waar ze werden geraakt met lichtpulsen in het lage terahertz-bereik (0,3 tot 0,7 THz). Tijdens dit proces hebben de experts speciale detectoren gebruikt om te analyseren hoe effectief het grafeen dat is bedekt met gouden lamellen de frequentie van de invallende straling kan vermenigvuldigen.

“Het werkte heel goed”, meldt Sergey Kovalev graag. Hij is verantwoordelijk voor de TELBE-faciliteit bij HZDR. “Vergeleken met onbehandeld grafeen waren veel zwakkere ingangssignalen voldoende om een ​​in frequentie vermenigvuldigd signaal te produceren.” In cijfers uitgedrukt, was slechts een tiende van de oorspronkelijk vereiste veldsterkte voldoende om de frequentievermenigvuldiging waar te nemen. En bij technologisch relevante lage veldsterktes is het vermogen van de geconverteerde terahertz-pulsen dankzij het nieuwe materiaalsysteem meer dan duizend keer sterker. Hoe breder de afzonderlijke lamellen en hoe kleiner de gebieden grafeen die worden blootgesteld, hoe meer uitgesproken het fenomeen. Aanvankelijk waren de experts in staat om de inkomende frequenties te verdrievoudigen. Later bereikten ze zelfs nog grotere effecten – vijfvoudige, zevenvoudige en zelfs negenvoudige toenames van de ingangsfrequentie.

Compatibel met chiptechnologie

Dit biedt een zeer interessant vooruitzicht, omdat wetenschappers tot nu toe grote, complexe apparaten nodig hadden, zoals versnellers of grote lasers, om terahertz-golven te genereren. Dankzij het nieuwe materiaal is het misschien ook mogelijk om de sprong van gigahertz naar terahertz puur met elektrische ingangssignalen te maken, dus met veel minder moeite. “Ons op grafeen gebaseerde metamateriaal zou redelijk compatibel zijn met de huidige halfgeleidertechnologie”, benadrukt Deinert. “In principe zou het in gewone chips kunnen worden geïntegreerd.” Hij en zijn team hebben de haalbaarheid van het nieuwe proces bewezen – nu kan implementatie in specifieke vergaderingen mogelijk worden.

De mogelijke toepassingen kunnen enorm zijn: aangezien terahertz-golven hogere frequenties hebben dan de gigahertz-frequenties voor mobiele communicatie die tegenwoordig worden gebruikt, zouden ze kunnen worden gebruikt om aanzienlijk meer draadloze gegevens te verzenden – 5G zou 6G worden. Maar het terahertz-assortiment is ook interessant voor andere domeinen – van kwaliteitscontrole in de industrie en beveiligingsscanners op luchthavens tot een breed scala aan wetenschappelijke toepassingen in bijvoorbeeld materiaalonderzoek.