Terahertz-Pulse dank Femto-Bestrahlung

Die klassische Elektronik ermöglicht Frequenzen bis etwa hundert Gigahertz, die Opto­elektronik nutzt elektro­magnetische Phänomene ab zehn Terahertz. Der Bereich dazwischen gilt als Terahertz-Lücke, da Bau­elemente zur Signal­erzeugung, Umwandlung und Detektion in diesem Bereich bislang extrem schwierig zu realisieren sind. Den Münchner Physikern Alexander Holleitner und Reinhard Kienberger ist es mit Hilfe winziger plasmonischer Antennen nun gelungen, elektrische Pulse im Frequenz-Bereich von bis zu zehn Tera­hertz zu generieren und über einen Chip laufen zu lassen. Plasmonisch nennen Forscher die Antennen, wenn diese aufgrund ihrer Form die Licht­intensität an den Metall­oberflächen verstärken.

Der Form der Antennen kommt eine wichtige Bedeutung zu. Sie sind asymmetrisch, eine Seite der nano­meter­großen Metall­strukturen ist spitzer als die andere. Regt ein über eine Linse fokussierter Laser­puls die Antennen an, emittieren sie an ihrer spitzen Seite mehr Elektronen als an der gegen­über­liegenden flachen. Zwischen den Kontakten fließt ein elektrischer Strom – aber nur solange die Antennen mit dem Laser­licht angeregt werden.

„Bei der Photoemission werden Elektronen, durch den Licht­puls ausgelöst, aus dem Metall in das Vakuum ausgesendet“, erklärt Christoph Karnetzky. „Alle Licht­effekte sind auf der spitzen Seite stärker, auch die Photo­emission, mit deren Hilfe wir einen kleinen Strom generieren.“ Die Lichtpulse waren nur wenige Femto­sekunden lang, entsprechend kurz waren auch die elektrischen Pulse in den Antennen. Technisch ist der Aufbau besonders interessant, weil die Nano-Antennen in mehrere Millimeter große Terahertz-Schalt­kreise integriert werden konnten. Ein Femtosekunden-Laserpuls mit einer Frequenz von 200 Terahertz könne in den Schalt­kreisen auf dem Chip ein ultra­kurzes Tera­hertz-Signal mit einer Frequenz von bis zu zehn Tera­hertz erzeugen, so Karnetzky.

Als Chip-Material verwendeten die Forscher Saphir, weil es sich optisch nicht anregen lässt und deshalb keine Störung verursacht. Im Hinblick auf zukünftige Einsatz­möglichkeiten setzten sie Laser mit einer Wellen­länge von 1,5 Mikrometern ein, wie sie in herkömmlichen Internet-Glas­faser­kabeln genutzt werden.

Holleitner und seine Kollegen machten noch eine weitere erstaunliche Entdeckung: Sowohl die elektrischen als auch die Tera­hertz-Pulse hingen nichtlinear von der Anregungs­leistung des benutzten Lasers ab. Dies deutet darauf hin, dass die Photo­emission in den Antennen durch die Absorption von mehreren Photonen pro Licht­puls ausgelöst wird. „Derart schnelle, nichtlineare on-chip-Pulse gab es bisher noch nicht“, sagt Alexander Holleitner, und hofft, mit Hilfe dieser noch schnellere Tunnel-Emissions­effekte in den Antennen entdecken und auch für Chip-Anwendungen nutzen zu können.

TUM / DE