Ultraschnelle Frequenzumwandlung

Die Fähigkeit, Signale von einem Frequenzbereich in einen anderen umzuwandeln, ist der Schlüssel zu verschiedenen Technologien, insbesondere in der Tele­kommunikation. Hier werden Daten von elektronischen Geräten häufig als optische Signale durch Glasfasern übertragen. Um deutlich höhere Daten­übertragungs­raten zu ermöglichen, müssen künftige drahtlose 6G-Kommunikations­systeme die Träger­frequenz über 100 Gigahertz hinaus bis in den Terahertz-Bereich erweitern. Terahertz-Wellen sind ein Teil des elektro­magnetischen Spektrums, der zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegt. Sie können jedoch nur über begrenzte Entfernungen für die drahtlose Daten­übertragung genutzt werden. „Daher wird ein schneller und kontrollierbarer Mechanismus zur Umwandlung von Terahertz-Wellen in sichtbares oder infrarotes Licht benötigt, das über lange Distanzen in optischen Fasern transportiert werden kann. Auch Bildgebungs- und Sensor­technologien könnten von einem solchen Mechanismus profitieren“, sagt Igor Ilyakov vom Institut für Strahlen­physik am HZDR.

Was bisher fehlt, ist ein Material, das Photonen­energien um einen Faktor von etwa 1000 vom Terahertz- in den sichtbaren Bereich hoch­konvertieren kann. Das Team hat erst kürzlich die starke nicht­lineare Reaktion von Dirac-Quanten­materialien, wie Graphen und topologischen Isolatoren, auf Terahertz-Lichtpulse entdeckt. „Dies äußert sich in der hocheffizienten Erzeugung von hohen Harmonischen, also Licht mit einem Vielfachen der ursprünglichen Frequenz. Diese Harmonischen liegen noch im Terahertz-Bereich, aber es gab auch erste Beobachtungen von sichtbarer Lichtemission aus Graphen bei Infrarot- und Terahertz-Anregung“, erinnert sich Sergey Kovalev vom Institut für Strahlenphysik am HZDR. „Bislang war dieser Effekt extrem ineffizient und der physikalische Mechanismus dahinter unbekannt.“

Die neuen Ergebnisse liefern eine physikalische Erklärung für diesen Mechanismus. Sie zeigen, wie die Lichtemission durch die Verwendung von hochdotiertem Graphen oder eines Gitter-Graphen-Metamaterials – ein Material mit einer maßgeschneiderten Struktur, das sich durch besondere optische, elektrische oder magnetische Eigenschaften auszeichnet – stark verstärkt werden kann. Das Team beobachtete auch, dass die Umwandlung sehr schnell erfolgt – im Sub-Nano­sekunden­bereich – und dass sie durch zusätzliche elektro­statische Felder kontrolliert werden kann.

„Wir führen die Lichtfrequenzumwandlung in Graphen auf einen Terahertz-induzierten thermischen Strahlungs­mechanismus zurück, das heißt, die Ladungsträger absorbieren elektromagnetische Energie aus dem einfallenden Terahertz-Feld. Die absorbierte Energie verteilt sich schnell im Material, was zu einer Erwärmung der Ladungsträger führt. Dies führt schließlich zur Emission von Photonen im sichtbaren Spektrum, ganz so wie Licht, das von jedem aufgeheizten Objekt emittiert wird“, erklärt Klaas-Jan Tielrooij von der Gruppe Ultrafast Dynamics in Nanoscale Systems des ICN2 und gleichzeitig Forscher der Technischen Universität Eindhoven.

Die Geschwindigkeit der Umwandlung von Terahertz-Licht in sichtbares Licht sowie die Justier­barkeit, die in Materialien auf Graphenbasis erreicht wird, birgt großes Potenzial für Anwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie. Der zugrundeliegende ultraschnelle thermodhttps://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=2609ynamische Mechanismus könnte sicherlich Auswirkungen auf Terahertz-Telekom-Verbindungen sowie auf jede Technologie haben, die eine ultraschnelle Frequenzumwandlung von Signalen erfordert.

HZDR / DE

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Ilyakov et al.: Ultrafast Tunable Terahertz-to-Visible Light Conversion through Thermal Radiation from Graphene Metamaterials, Nano Lett. 23, 3872 (2023); DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00507
• TELBE – High-Field High-Repetition-Rate Terahertz facility, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf