Schneller und leistungsfähiger: Neue Methode zur Steuerung von Terahertz-Licht könnte Elektrotechnik grundlegend verändern

In einem Durchbruch ist es Forschern des CNR Istituto Nanoscienze gelungen, das Verhalten von Licht und Elektronen im Terahertz-Frequenzbereich präzise zu steuern. Dieser Frequenzbereich ist ein bislang wenig erforschter Teil des elektromagnetischen Spektrums. Die Ergebnisse, die in der Fachzeitschrift Light: Science and Applications veröffentlicht wurden, könnten zur Entwicklung von abstimmbaren und energieeffizienten Geräten für ein breites Anwendungsspektrum führen, von ultraschneller Kommunikation bis hin zu Quantencomputern.

Obwohl Licht zur Informationsübertragung in Geräten im Nanomaßstab genutzt werden kann, standen Wissenschaftler bisher vor der Herausforderung, es aufgrund seiner relativ großen Wellenlänge auf dieser Ebene zu bündeln und zu leiten. Die neue Forschung konzentriert sich auf Hybridwellen, sogenannte Dirac-Plasmon-Polaritonen (DPPs), die sich in Räume quetschen lassen, die Hunderte Male kleiner sind als ihre natürliche Wellenlänge.

Dafür haben die Forscher ein spezielles Material für topologische Isolatoren entwickelt. Sie haben winzige seitlich gekoppelte Streifen (Metaelemente) aus einem fortschrittlichen Material namens epitaxiales Bi2Se3 gebaut. Durch die präzise Anpassung der mikroskopisch kleinen Lücken zwischen diesen Streifen war das Forscherteam in der Lage, die Wellenlänge der Terahertz-Wellen zu manipulieren.

Die Studien führt zu zwei positiven Ergebnissen. Das Team verkürzte die Wellenlänge zum einen erfolgreich um 20%. Gleichzeitig legen die Wellen etwa 50% mehr Weg zurück, bevor sie eine kritische Menge an Energie verlieren. Diese beiden Errungenschaften lösen die größten Herausforderungen, die die Anwendung von DPPs in der Praxis bisher behindert haben.

Diese Art der Kontrolle über Terahertz-Licht könnte beispielsweise die Entwicklung von Geräten ermöglichen, die Daten mit höheren Raten übertragen können als heutige Maschinen. Sie könnte aber auch den Weg für eine neue Ära in den Bereichen des Quantencomputing, der medizinischen Bildgebung und Photonik ebnen.