Schon vor einiger Zeit konnten Fachleute am HZDR-Beschleuniger ELBE zeigen, dass Graphen als eine Art Frequenzvervielfacher fungieren kann: Bestrahlt man den zweidimensionalen Kohlenstoff mit Lichtpulsen im niedrigen Terahertz-Frequenzbereich, werden diese zu höheren Frequenzen konvertiert. Das Problem: Bislang waren für eine effiziente Umwandlung extrem intensive Eingangssignale notwendig, für deren Erzeugung es eines ausgewachsenen Teilchenbeschleunigers bedurfte. „Für künftige technische Anwendungen ist das natürlich unpraktisch“, erklärt der Erstautor der Studie, Jan-Christoph Deinert vom Institut für Strahlenphysik am HZDR. „Also suchten wir nach einem Materialsystem, das auch dann funktioniert, wenn wir es weniger heftig bestrahlen, also mit geringeren Feldstärken.“

Dafür haben die HZDR-Wissenschaftler*innen gemeinsam mit ihren Kolleg*innen vom Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2), dem Institute of Photonic Sciences (ICFO), der Universität Bielefeld, der Technischen Universität Berlin und dem Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung eine neue Idee entwickelt: Würde man das Graphen mit winzigen Goldstreifen beschichten, könnte das die Frequenzkonversion enorm verstärken. Denn die Goldlamellen besitzen eine faszinierende Eigenschaft: „Sie wirken wie Antennen, die die ankommende Terahertz-Strahlung im Graphen deutlich verstärken“, erläutert Klaas-Jan Tielrooij vom ICN2, der letztendlich für das Projekt verantwortlich war. „Dadurch treten dort, wo das Graphen zwischen den Lamellen herausguckt, sehr starke Felder auf, und damit wird die Frequenzwandlung schließlich sehr effizient.“

Überraschend effektive Frequenzvervielfachung

Um die Idee zu überprüfen, stellten Teammitglieder vom ICN2 in Barcelona die Proben her: Zunächst brachten sie eine einzelne Graphen-Schicht auf einen Glasträger auf. Darauf dampften sie eine hauchdünne Isolationsschicht aus Aluminiumoxid und anschließend ein Gitter aus Goldstreifen auf. Dann wurden die Proben nach Dresden-Rossendorf gebracht, um sie dort an der Terahertz-Anlage TELBE mit Lichtpulsen im niedrigen Terahertz-Bereich (0.3 bis 0.7 THz) zu bestrahlen. Dabei analysierten die Fachleute mit Hilfe von Spezialdetektoren, wie effektiv das mit Goldlamellen beschichtete Graphen die Frequenz der einfallenden Strahlung vervielfachen kann.

„Das hat sehr gut funktioniert“, freut sich Sergey Kovalev, der am HZDR für die TELBE-Anlage verantwortlich ist. „Im Vergleich zu unbehandeltem Graphen genügten deutlich schwächere Eingangssignale, um ein starkes frequenzvervielfachtes Signal zu erzeugen.“ In Zahlen: Bereits ein Zehntel der ursprünglich benötigten Feldstärke reichte aus, um eine Verdreifachung der Frequenz zu beobachten, und bei technisch relevanten kleinen Feldstärken ist die Leistung der konvertierten Terahertz-Pulse dank des neuen Materialsystems mehr als tausendmal höher. Je breiter dabei die einzelnen Lamellen und je kleiner die freibleibenden Graphen-Flächen waren, umso ausgeprägter zeigte sich das Phänomen. Zunächst konnten die Fachleute die eingehenden Frequenzen verdreifachen. Später gelangen auch größere Sprünge – die Verfünffachung, Versiebenfachung und sogar Verneunfachung der Eingangsfrequenz.

Verträglich mit der Chip-Technologie

Das verspricht eine verlockende Perspektive, denn bislang brauchen die Wissenschaftler*innen große komplexe Geräte wie Beschleuniger oder größere Laser für die Erzeugung von Terahertz-Wellen. Mit Hilfe des neuen Materialsystems könnte es in Zukunft möglich sein, den Sprung vom Gigahertz- in den Terahertzbereich auch mit rein elektrischen Eingangssignalen zu schaffen, also mit deutlich weniger Aufwand. „Unser Graphen-basiertes Metamaterial wäre durchaus kompatibel mit der gängigen Halbleiter-Technologie“, betont Deinert. „Im Prinzip ließe es sich auf gewöhnlichen Chips integrieren.“ Er und sein Team haben die Machbarkeit des neuen Verfahrens belegt – jetzt ist eine Umsetzung in konkrete Baugruppen möglich.

Die möglichen Anwendungen wären weitgefasst: Da Terahertz-Wellen höhere Frequenzen haben als die heute verwendeten Gigahertz-Mobilfunkfrequenzen, ließen sich damit deutlich mehr Daten drahtlos übertragen – aus 5G würde 6G. Aber auch für andere Felder ist der Terahertz-Bereich interessant – von der Qualitätskontrolle in der Industrie über Sicherheits-Scanner an Flughäfen bis hin zu vielfältigen wissenschaftlichen Anwendungen etwa in der Materialforschung.

Publikation:

J.-C. Deinert, D. Alcaraz Iranzo, R. Perez, X. Jia, H. Hafez, I. Ilyakov, N. Awari, M. Chen, M. Bawatna, A. Ponomaryov, S. Germanskiy, M. Bonn, F.H.L. Koppens, D. Turchinovich, M. Gensch, S. Kovalev, K.J. Tielrooij: Grating-Graphene Metamaterial as a Platform for Terahertz Nonlinear Photonics, in ACS Nano, 2020 (DOI: 10.1021/acsnano.0c08106)