Direkter Sprung ins Terahertz
Dirac-Materialien ermöglichen effiziente Signalumwandlung bei Raumtemperatur.
Highspeed-Internet, autonomes Fahren, Internet der Dinge: Datenströme wachsen weltweit in rasantem Tempo. Doch klassische Funktechnologien stoßen an ihre Grenzen: Je höher die Datenrate, desto schneller müssen Signale übertragen werden. Wie Forschende des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf nun gezeigt haben, lassen sich schwache Funksignale mit einem nur wenige Dutzend Nanometer dünnen Material effizient in deutlich höhere Frequenzen umwandeln. Und das sogar bei Raumtemperatur. Die Ergebnisse eröffnen Perspektiven für künftige Mobilfunkgenerationen und hochauflösende Sensorik.
Je mehr Daten gleichzeitig übertragen werden sollen, umso höher muss die verwendete Trägerfrequenz sein. Das führt dazu, dass die Forschung mittlerweile bis in den Terahertz-Bereich vordringt. Dieses Frequenzspektrum liegt jenseits des heute im Mobilfunk verwendeten Mikrowellenbereichs und ist bislang technologisch nur schwer zugänglich. „Frequenzen bis in den Terahertz-Bereich zu erhöhen und dann mit ihnen zu arbeiten, ist aktuell sehr ineffizient“, erklärt Georgy Astakhov, Leiter der Abteilung Quantentechnologien am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR. Der Grund dafür ist, dass die Signale für hohe Frequenzen verstärkt und stabilisiert werden müssen, was bislang viel Energie und komplexe Verstärkerschaltungen erfordert. „Unser Ansatz zeigt, dass es deutlich einfacher gehen kann.“
Für das Experiment nutzte das Team einen hauchdünnen Film aus Quecksilbertellurid. Dieses Material gehört zur Klasse der Dirac-Materialien. In diesen besonderen Stoffen bewegen sich Elektronen so, als hätten sie kaum Masse. Dadurch reagieren sie extrem schnell auf elektromagnetische Felder. Das macht sie besonders geeignet, wenn Signale beschleunigt oder gemischt werden sollen.
Interessanterweise ist das verwendete Material keines, das erst kürzlich entdeckt wurde. Quecksilbertellurid wird seit Jahrzehnten etwa in Infrarot-Detektoren eingesetzt. Neu ist jedoch die präzise Kontrolle eben jener elektronischen Eigenschaften, die den Stoff zu einem Dirac-Material machen. Das eröffnet Möglichkeiten, an die früher nicht zu denken war. „Der entscheidende Moment unserer Arbeit war, als wir das Signal bei Raumtemperatur deutlich gesehen haben“, sagt Tatiana Aureliia Uaman Svetikova, Doktorandin am HZDR. „Denn das ist besonders herausfordernd, weil das Signal leicht im Hintergrundrauschen verschwindet.“ Deshalb mussten vergleichbare Experimente bisher immer extrem gekühlt werden.
Ebenfalls erstaunlich war die Umwandlungseffizienz, mit der das Team einen neuen Meilenstein setzen konnte. Die lag bei über zwei Prozent. Für den Terahertz-Bereich ist das ein außergewöhnlich hoher Wert. Denn bei bisherigen Ansätzen lag die Effizienz solcher Frequenzumwandlungen oft im Bereich von 0,01 bis 0,1 Prozent.
Um das Signal im allgegenwärtigen Hintergrundrauschen zu erkennen, nutzte das Team für seine Messungen das ELBE-Zentrum für Hochleistungsstrahlquellen des HZDR. Denn dort bieten die Terahertzquelle TELBE und der Freie-Elektronen-Laser FELBE hochpräzise experimentelle Bedingungen. Für ihr Experiment mussten die Forschenden zwei Terahertz-Signale im richtigen Winkel, mit der richtigen Intensität und im richtigen Moment exakt zusammenführen. „Das war eine große Herausforderung“, beschreibt Uaman Svetikova. „Wir mussten die Quellen sehr präzise abstimmen, um die Wechselwirkung klar herauszuarbeiten.“ Erst diese kontrollierte Überlagerung machte die deutliche Umwandlung überhaupt messbar.
Die Ergebnisse zeigen, dass Dirac-Materialien eine zentrale Rolle in zukünftigen Hochfrequenztechnologien spielen könnten. „Dirac-Materialien können schwache Funksignale effizient in höhere Terahertz-Bereiche umwandeln“, erklärt Astakhov. „Das eröffnet Perspektiven für drahtlose Kommunikation weit jenseits heutiger Mobilfunkstandards bis hin zu künftigen 6G- und 7G-Systemen sowie für hochauflösendes Radar und Sensorik.“
Bis zur Anwendung in Bauelementen ist jedoch noch Entwicklungsarbeit nötig. Als nächsten Schritt plant das Team, die Strukturen weiter zu verfeinern und auf unterschiedliche Materialsysteme zu übertragen. Erst dann lässt sich prüfen, wie gut sich solche Terahertz-Mischer in reale Schaltungen integrieren lassen. „Wir bewegen uns hier klar im Bereich der Grundlagenforschung“, fasst Astakhov zusammen. „Aber es ist ein Baustein, der den Weg in Richtung kompakter Hochfrequenztechnologien weist.“ [HZDR / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
T. A. Uaman Svetikova, I. Ilyakov, A. Ponomaryov, et al., Highly efficient broadband THz mixing and upconversion with Dirac materials, Commun. Phys. 8, 361, 1. September 2025; DOI: 10.1038/s42005-025-02273-0 - Strahlungsquelle ELBE (Elektronen Linearbeschleuniger für Strahlen hoher Brillanz und niedriger Emittanz), ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
- Abteilung Quantentechnologien FWIQ (Georgy Astakhov), Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
