Die schematische Darstellung zeigt den neu entwickelten Terahertz-Detektor: Durch das Metamaterial wird das einfallende Terahertz-Licht an die Übergänge im Halbleiter gekoppelt und in ein elektrisches Signal umgewandelt.
Wien - Forscher von der Technischen Universität (TU) Wien haben eine neue Art extrem dünner Detektoren für Terahertz-Licht entwickelt. Die Kombination zweier unterschiedlicher Technologien - Meta-Materialien und ultradünne Halbleiterschichten - ebnet damit den Weg, einen Terahertz-Laser und -Detektor sehr kompakt auf einem Chip zu realisieren, berichten die Forscher im Fachjournal "Nature Scientific Reports".
Ultradünne Schichtsysteme aus verschiedenen Halbleitermaterialien können verwendet werden, um mit Hilfe von elektrischer Spannung Licht zu erzeugen. Dies wird bei sogenannten Quantenkaskaden-Lasern genutzt, die Laserlicht im Terahertz-Bereich aussenden. Mit einer Wellenlänge von weniger als einem Millimeter liegt Terahertz-Licht zwischen der Infrarot- und der Mikrowellenstrahlung. Es wird bereits in Körperscannern eingesetzt und es gibt viele weitere Anwendungsideen im Medizin-, Technik- und Sicherheitsbereich. Vorteil von Quantenkaskaden-Lasern ist ihre Kompaktheit von nur wenigen Millimeter Größe, Effizienz und Leistungsfähigkeit.
Dagegen ist es bisher relativ aufwändig, Terahertz-Strahlen zu detektieren. Grundsätzlich würden sich dafür auch die ultradünnen Halbleiter-Schichtsystems eignen. Denn sie erzeugen Strom, wenn Licht einfällt. Das Problem ist, dass nur Licht in einer bestimmten Schwingungsrichtung (Polarisation) mit den Elektronen des Schichtsystems in Wechselwirkung treten kann. Fällt das Licht frontal auf die Schichtfläche ein, hat es keine Auswirkungen auf die Elektronen im Schichtsystem, wird also nicht detektiert.
Trick dreht Polarisationsrichtung
Benötigt wird daher eine Methode, die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts zu drehen. Dies ist Karl Unterrainer und seinem Team vom Institut für Photonik der TU Wien mit einem Trick gelungen. Sie verwendeten dazu Meta-Materialien, die aufgrund ihrer besonderen Struktur Terahertz-Licht auf ganz spezielle Weise manipulieren.
Ein Meta-Material zeichnet sich durch eine regelmäßige geometrische mikroskopische Struktur aus, deren Muster sich in Abständen wiederholt, die kleiner ist als die Wellenlänge des Lichts. Je nachdem, wie die Geometrie dieser Struktur aussieht, wird das Licht gestreut, manche Wellenlängen können absorbiert, andere reflektiert werden. Das Schillern auf den Flügeln eines Schmetterlings entsteht durch solche Effekte.
Das Meta-Material, das die Wissenschafter auf das Halbleiter-Schichtsystem aufgebracht haben, dreht die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts. Dadurch kann es mit den Elektronen in Wechselwirkung treten - ein elektrisches Signal wird ausgelöst. Dabei reichen Schichten im Nanometer-Bereich aus, um das Licht nachzuweisen. Der Detektor ist damit über tausendmal dünner als die Wellenlänge des Terahertz-Lichts. (APA/red, derStandard.at, 05.04.2014)