Terahertz-Module aus Metamaterialien

Ein symmetrisch strukturiertes Metamaterial kann als Schalter oder Modulator für Terahertz-Wellen dienen.

Los Alamos (USA) – In jüngster Zeit erregen Metamaterialien immer größeres Interesse bei den Wissenschaftlern. Metamaterialen sind aus verschiedensten Elementen aufgebaut und weisen bisher unerreichte optische Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften beruhen nicht mehr allein auf dem verwendeten Werkstoff, sondern auf der Mikrostrukturierung eines Moduls. Dadurch wollen einige Physiker Tarnkappen für bestimmte Wellenlängenbereiche aufbauen. Amerikanische Forscher haben noch eine weitere Anwendung im Auge: Sie können jetzt mit einem neuen Metamaterial Terahertz-Wellen effizienter kontrollieren. Ihre Ergebnisse, die zu neuen Kommunikations- und Bildgebungsverfahren führen könnten, präsentieren sie in der Zeitschrift „Nature“.

„Viele Materialien haben keinen Einfluss auf Terahertz-Strahlung und Werkzeuge, die für den Bau von Quellen, Linsen, Schaltern, Modulatoren und Detektoren nötig sind, existieren kaum“, schreiben Hou-Tong Chen und seine Kollegen vom Los Alamos National Laboratory. Terahertz-Wellen liegen im elektromagnetischen Strahlungsspektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Sie lassen sich heute zwar schon relativ leicht erzeugen und nachweisen, doch deren Kontrolle mit entsprechenden Wellenoptiken ist immer noch sehr schwierig. Chen baute daher ein Metamaterial auf, das die Intensität von Terahertz-Strahlung beeinflussen kann. Es besteht aus einem strukturierten Gold-Array auf einer halbleitenden Unterlage und kann durch elektrische Spannungen gesteuert werden und so als Schalter oder Modulator für Terahertz-Wellen dienen.

Abb.: So sieht die Struktur der Terahertz-Module aus: Die Metamaterial-Strukturen - so genannte Split-Ring-Resonatoren - sind miteinander durch Golddrähte verbunden, sodass eine externe Spannung angelegt werden kann. (Quelle: Willie Padilla)

Auf einem Substrat aus Silizium deponierten sie mit Hilfe der Molekularstrahlepitaxie eine dünne Schicht aus halbisolierendem Galliumarsenid. Hierauf setzten sie dünne Lagen aus Nickel (20 Nanometer) und Germanium (20 Nanometer). Den Abschluss bildet eine 150 Nanometer dünne Goldschicht, die mit photolithografischen Methoden zu Mikrometer feinen, regelmäßigen Strukturen, so genannten Split-Ring-Resonatoren, zerteilt wurde. Unter eine Spannung von etwa 16 Volt gesetzt, veränderte dieses Metamaterial sein Transmissionsverhalten im Frequenzbereich zwischen 0,5 und 2 Terahertz. Bei einer Resonanzfrequenz von etwa 0,72 Terahertz konnten nur knapp zehn Prozent der Strahlung durch das Modul gelangen. Auch oberhalb von einem Terahertz nahm die Transmission stark ab.

Die Ursache dieses Effekts sehen die Physiker in der Wechselwirkung der polarisierten Terahertz-Strahlung und dem entsprechenden elektrischen Feld mit den stromdurchflossenen Mikrostrukturen. „Die geringe transmittierte Intensität bei geringen Frequenzen resultiert aus einem Drude-artigen Verhalten der kontaktierten Drähte“, erklären die Forscher in ihrer Veröffentlichung. Dieser Resonanzeffekt ist verbunden mit den dipolaren Strömen in den Leiterbahnen.

Das symmetrisch strukturierte Metamaterial erlaubt die schaltbare Transmission von Terahertz-Strahlung etwa eine Größenordnung besser als bisher existierende Module. Darauf aufbauend können nun Modulatoren oder gar Schalter für diesen sonst schwer kontrollierbaren Frequenzbereich aufgebaut werden. Bislang werden Terahertz-Wellen als neuartige Durchleuchtungsgeräte für Sicherheitskontrollen in Flughäfen getestet. Doch mit geeigneten Metamaterialien werden sich die Anwendungen auch auf neue Datenübertragungskanäle oder bildgebende Verfahren ausweiten.

Jan Oliver Löfken