Mini-Terahertz-Sender soll Alltagseinsatz revolutionieren

Darmstadt - Bekannt sind Terahertz-Wellen vor allem von den umstrittenen „Nacktscannern“ am Flughafen. Doch auch in der Medizin oder Materialprüfung sind die hochfrequenten Strahlen geschätzt – künftig wohl noch viel häufiger, denn Darmstädter Forscher haben einen revolutionären Terahertz-Sender entwickelt: Er ist klein wie ein Sandkorn und funktioniert bei Raumtemperatur. Gleichzeitig ist das neue Elektrobauteil mit handelsüblicher Halbleitertechnik kostengünstig herzustellen. Es geht dennoch an die Grenze des technisch Machbaren und liefert obendrein einen Frequenzrekord von 1,11 Terahertz. Theoretisch sind sogar bis zu 3 Terahertz möglich, schreiben die Forscher im Fachblatt „Applied Physics Letters“. Die Kombination von Miniaturmaßen, Leistung und Temperaturbereich dürfte auch Anwendungen ermöglichen, die bislang nicht denkbar waren. Terahertzwellen liegen im Frequenzbereich zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung und können Materialien wie Kunststoff, Textilien und manches biologische Gewebe zerstörungsfrei durchlaufen. Metall oder Wasser blockieren sie hingegen.

„Solche Quellen sollten zahlreiche Terahertz-Alltagsanwendungen möglich machen“, schreiben Michael Feiginov und Kollegen vom Institut für Mikrowellentechnik und Photonik der TU Darmstadt. Das Team aus Physikern und Ingenieuren entwickelte und verkleinerte ihre so genannte Resonanztunneldiode (RTD) gemeinsam mit dem Darmstädter Elektronikbauteil-Hersteller ACST. Diese Diode erzeugt eine konstante Terahertz-Strahlung, dank eines quantenmechanischen Effekts. Kernstück ist eine Doppel-Barriere-Struktur, in welche ein so genannter Quantentopf eingebettet ist – eine nur wenige Nanometer (Millionstel Millimeter) dünne Halbleiterschicht aus Indium-Gallium-Arsenid zwischen zwei ebenso feinen Barriere-Schichten des Halbleiters Aluminium-Arsenid. Diese Schichtstruktur ermöglicht einen quantenmechanischen Effekt, der die elektrischen Schwingungen in einem Terahertz-Oszillator immer wieder verstärkt und für die kontinuierliche Emission sorgt.

So erreichen die Forscher eine Rekordschwingung, „die höchste Frequenz, die ein aktives Halbleiterbauelement jemals erreicht hat“, so Feiginov – und können nachweisen, dass ein solch kleiner Sender in der Theorie auch noch deutlich höhere Frequenzen bis zu drei Terahertz erzeugen kann: „Das galt bislang in der Terahertzforschung als unmöglich.“ Die Forscher arbeiten nun daran, die Theorie auch in die Praxis umzusetzen. Je höher die Frequenz beispielsweise bei der Materialanalyse, desto höhere Auflösungen sind erreichbar und damit Bilder mit deutlich feineren Details. Der Einsatz der RT-Diode bei Raumtemperatur macht zudem klobige Kühlvorrichtungen überflüssig.

Und obendrein sind mit Terahertzwellen künftig auch Moleküle untersuchbar, die für die Spektralanalyse in anderen Frequenzbereichen unempfindlich sind. Denkbar sind etwa handliche medizinische Diagnosegeräte, die krankes oder Tumor-Gewebe im Körper von gesundem unterscheiden können. Ebensogut könnte man mit der Technik Verbrennungsprozesse im laufenden Motor beobachten oder verdächtige Objekte mit mobilen Geräten rasch durchleuchten, auch auf potenziell gefährliche biologische Substanzen. Bislang kommen große, teure Terahertz-Scanner etwa beim Zoll zum Einsatz, wo sie ganze Lastwagen auf Schmuggelfracht „durchblicken“. In der Astronomie helfen Terahertz-Wellen, die Oberflächentemperatur von Planeten und einfache chemische Verbindungen aus der Distanz zu erkennen.

Da die neue Diode kleiner ist als ein Quadratmillimeter, dürfte sie sich wie andere aktive Halbleiterbauelemente auch in zahlreiche elektronische Schaltkreise integrieren lassen. In der modernen Informations- und Kommunikationstechnologien stehen damit laut Feiginov zahlreiche bislang unmögliche Anwendungsfelder offen: „Eine höhere Frequenz der Bauteile würde zu neuen Anwendungen oder Einsatzgebieten bei Computern, Handys und anderen elektronischen Geräten führen.“