Reaktion auf THz-Wellen

Mikrostrukturierte Kupfermodule reagieren auf einfallende Terahertz-Wellen mit einer messbaren Magnetisierung.

Los Angeles/San Diego (USA) – Schnelle Navigation durch dichten Nebel und hochaufgelöste Bilder aus dem Inneren des Körpers. Eine neue Werkstoffklasse aus mikrostrukturierten Kupfermodulen soll dies möglich machen. US-Forscher erkannten, dass ihre neu entwickelten, so genannten "Metamaterialien" mit einer messbaren Magnetisierung auf einfallende, elektromagnetische Wellen im Terahertz-Bereich reagieren. Ihren Prototypen, der viele Anwendungen für hoch empfindliche Nachweisgeräte ermöglichen soll, beschreiben sie in der Fachzeitschrift "Science".

"Bilder, die mit Terahertz-Strahlen aufgenommen werden, zeigen einen guten Kontrast für Objekte mit ähnlicher Dichte", erklärt Willie Padilla von der University of California in San Diego eine Schlüsseleigenschaft dieser elektromagnetischen Wellen. Zusammen mit Kollegen vom Londoner Imperial College und der University of California in Los Angeles suchten Padilla nach künstlich hergestellten Werkstoffen, die mit messbaren magnetischen Effekten auf Terahertz-Strahlung reagieren. Schließlich waren sie mit einem zweidimensionalen Array mit regelmäßig angeordneten Kupferstrukturen erfolgreich. Aufgereiht auf einer Quarzoberfläche erzeugten diese als Resonator dienenden Strukturen ein magnetisches Feld bei elektromagnetischer Bestrahlung. Ist das im Mikrowellenbereich nicht ungewöhnlich, stellt es für den Spektralbereich um ein Terahertz einen Durchbruch dar.

Dieses zweidimensionale Array - bestehend aus regelmäßig angeordneten Kupferstrukturen auf einer Quarzoberfläche - erzeugt bei elektromagnetischer Bestrahlung im Terahertz-Bereich ein magnetisches Feld. (Quelle: Yen/UCSD)

Diese "Split-ring resonators" mit einer Ausdehnung von rund 50 Mikrometer erlauben durch ihre spezielle Geometrie eine magnetische Resonanz, obwohl Kupfer selbst nicht magnetisch ist. Anschaulich lassen sich die Mikrometer dünnen Kupferwälle wie zwei ineinander platzierte Quadrate vorstellen, bei denen eine Seite jeweils durch einen Graben unterbrochen ist. Je nach den Maßen dieser Kupfer-Anordnungen mit Abständen zwischen 2 und 50 Mikrometern zwischen den quadratischen Wällen, konnte das Metamaterial sogar auf jeweils Wellenlängen zwischen 0,8 und 1,25 Terahertz "getunt" werden.

Konkrete Anwendungen im Blick können sich die Forscher vor allem Terahertz-Scanner vorstellen. Denn weichen reflektierte Strahlen ein wenig von der optimalen Resonanzfrequenz ab, fällt die magnetische Reaktion messbar anders aus. Auch kann dieser Teil des elektromagnetischen Spektrums zum Beispiel mühelos wasserreichen Nebel durchdringen oder bei Werkstoffuntersuchungen kleinste Unregelmäßigkeiten entdecken. Auch in der Medizin könnten die für den Körper unschädliche Terahertz-Strahlen interessant sein, beispielsweise zum Aufspüren von Tumorzellen inmitten gesunden Gewebes. Der größte Vorteil liegt dabei darin, dass selbst kleinste Dichteschwankungen im Gewebe nicht übersehen und so Hinweise auf erkrankte Bereiche geliefert werden. In weiteren Versuchen wollen die Forscher versuchen, dieses magnetische Resonanzverhalten auch auf den optischen Spektralbereich auszuweiten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  T. J. Yen et al., Terahertz Magnetic Response from Artificial Materials, Science 303, 1494 (2004). 
• UCSD University of California, San Diego - Department of Physics:
  http://physics.ucsd.edu 
• UCLA School of Engineering and Applied Science:
  http://www.engineer.ucla.edu/ 
• University of California, LA:
  http://www.ucla.edu 
• University of California, San Diego: 
  http://www.ucsd.edu 
• Imperial College, London: 
  http://www.ic.ac.uk/ 
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Weitere Literatur:

• I. S. Schelkunoff, H. T. Friis, in: Antennas: Theory and Practice, S. Sokolnikoff, Ed. (Wiley, New York, 1952), p. 584. 
• X. C. Zhang, Phys. Med. Biol. 47, 3667 (2002). 
• J. B. Pendry, A. J. Holden, D. J. Robbins, W. J. Stewart, IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 47, 2075(1999).