Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und am irischen Trinity College Dublin haben einen viel versprechenden Ansatz gefunden, der Notebooks und anderen mobilen Geräten in Zukunft deutlich schnellere Internet-Funkzugänge ermöglichen könnte. Die Teams brachten hauchdünne Schichten aus einer speziellen Verbindung von Mangan und Gallium dazu, sehr effizient Strahlung im Terahertz-Bereich auszusenden. Als Sender in WLAN-Funknetzen eingesetzt, könnten die höheren Frequenzen die Datenraten zukünftiger Kommunikations-Netze spürbar erhöhen.
Abb.: Die Terahertz-Quelle TELBE des HZDR sendet starke Terahertz-Felder mit hoher Wiederholrate aus, deren Eigenschaften sich präzise an experimentelle Anforderungen anpassen lassen. (Bild: F. Bierstedt, HZDR)
Michael Gensch und seine Arbeitsgruppe am HZDR beschäftigt sich mit den wissenschaftlichen Anwendungen von Terahertz-Feldern in den Material- und Lebenswissenschaften. Das Team hat die neuen Schichten mit Lasern, sowie mit kurzen, starken Terahertz-Pulsen vermessen. Bisher sind erst wenige und meist recht aufwendige Varianten für die Erzeugung von monochromer Terahertz-Strahlung bekannt. Die jetzt untersuchten Dünnschichten dagegen sind billige und für eine Großproduktion gut geeignete Quellen für Terahertz-Strahlen mit exakt einstellbarer Wellenlänge.
Heutige WLAN-Sender arbeiten oft mit Frequenzen zwischen 2,4 und 5 Gigahertz. Über diese Funkverbindungen können sie in der Praxis Daten höchstens mit einem Tempo von 600 Megabit je Sekunde drahtlos übertragen. Ein Terahertz-WLAN könnte auf Datenraten von bis zu 100 Gigabit je Sekunde kommen
Für die Experimente hatten Karsten Rode und seine Arbeitsgruppe am Trinity College Dublin besondere Schichten aus verschiedenen Kompositionen einer Mangan-Gallium-Verbindung wachsen lassen, die nur 45 bis 65 Nanometer dünn sind. Diese hauchdünnen Filme regten die Wissenschaftler in Dresden-Rossendorf dann mit intensiven Laser-Pulsen an. Durch diese Anregung entsteht eine synchrone Pendelbewegung der magnetischen Momente in den Nanoschichten, die zur Abstrahlung von Terahertz-Strahlung führt.
Technologisch interessant ist nun, dass die Forscher die Frequenz der abgestrahlten Terahertz-Wellen präzise durch die Komposition der Mangan-Gallium-Verbindung einstellen können. „Die Emission ist zudem ein überraschend effizienter Prozess“, so Gensch. „Damit handelt es sich bei den von uns untersuchten Schichten um eine einzigartige Technologie, um Terahertz-Strahlung zu erzeugen und die Frequenz dieser Strahlung nach Wunsch einzustellen.“ Das ist eine wichtige Voraussetzung für Kommunikationsgeräte und Netze der kommenden Generation.
Zur Aufklärung der zugrundeliegenden physikalischen Prozesse konnte die neue Terahertz-Anlage TELBE im ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des HZDR entscheidend beitragen. „TELBE hat es uns ermöglicht, die kohärente Anregung der magnetischen Momente im elektronischen Grundzustand direkt zu vermessen“, erklärt Gensch. Als nächstes wollen die Forscher die Sendeleistung der Terahertz-Schichten erhöhen. Angesichts der viel versprechenden Labor-Ergebnisse wollen die HZDR-Forscher nun den Weg hin in Richtung produktionsreifer superschneller WLAN-Sendemodule ein Stück weiter gehen. In einem Folgeprojekt wollen sie ihre Dünnschichten elektrisch statt mit aufwendigen Laser-Pulsen dazu anregen, Terahertz-Strahlen auszusenden. Wenn das funktioniert, könnte am Ende des Projekts der Weg geebnet sein für einen ersten Prototypen für Terahertz-WLAN-Module.
HZDR / RK
