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»Terahertz-Lücke« überwinden: Asymmetrische Nano-Antennen erzeugen Femtosekunden-Pulse

Physikern der TU München ist es gelungen, aus Nanometer kleinen Metallantennen Billiardstel-Sekunden kurze elektrische Pulse auf Chips zu versenden und diese in einigen Millimeter Entfernung auszulesen. Sie versprechen Fortschritte in der Entwicklung von Terahertz-Komponenten für die Optoelektronik.

Femtosekunden-Pulse Bildquelle: © Christoph Hohmann / NIM, Alexander Holleitner / TUM

Einige Femtosekunden lange Pulse des Pump-Lasers (links) erzeugen elektrische on-chip Pulse im Terahertz-Frequenzbereich. Mit dem rechten Laser wird die Information wieder ausgelesen.

Zwischen den bei der klassischen Elektronik möglichen 100 Gigahertz und den in der Optoelektronik genutzten elektromagnetischen Phänomenen ab zehn Terahertz klafft die sogenannte »Terahertz-Lücke«, weil die Entwicklung von Bauelementen zur Signalerzeugung, Umwandlung und Detektion dieser Frequenzen bislang sehr schwierig ist.

Den TUM-Physikern Alexander Holleitner und Reinhard Kienberger ist es mit Hilfe winziger, sogenannter plasmonischer Antennen gelungen, elektrische Pulse im Frequenz-Bereich von bis zu zehn Terahertz zu generieren und über einen Chip laufen zu lassen. Plasmonisch nennen Forscher die Antennen, wenn diese aufgrund ihrer Form die Lichtintensität an den Metalloberflächen verstärken.

Asymmetrische plasmonische Antennen Bildquelle: © Alexander Holleitner / TUM

Elektronenmikroskopische Aufnahme des Chips mit asymmetrischen plasmonischen Antennen aus Gold auf Saphir.

Ihre Asymmetrie – eine Seite der Nanometer großen Metallstrukturen ist spitzer als die andere – ist wichtig, weil sie bei der Anregung durch einen Linsen-fokussierten Laserpuls an der spitzen Seite mehr Elektronen emittieren als an ihrer flachen Seite. Solange die Antennen mittels Laser angeregt werden, fließt Strom. Die Nano-Antennen können in Millimeter kleine Terahertz-Schaltkreise integriert werden.

»Bei der Photoemission werden Elektronen, durch den Lichtpuls ausgelöst, aus dem Metall in das Vakuum ausgesendet«, erklärt Christoph Karnetzky, Erstautor der Studie, die als Nature-Communication veröffentlicht wurde. »Alle Lichteffekte sind auf der spitzen Seite stärker, auch die Photoemission, mit deren Hilfe wir einen kleinen Strom generieren.«

Ein Femtosekunden-Laserpuls mit einer Frequenz von 200 Terahertz erzeugt in den Schaltkreisen auf dem Chip ein ultrakurzes Terahertz-Signal mit einer Frequenz von bis zu 10 Terahertz.  Als Chip-Material verwendeten die Forscher Saphir, weil es sich optisch nicht anregen lässt und deshalb keine Störung verursacht. Im Hinblick auf zukünftige Einsatzmöglichkeiten setzten sie Laser mit einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometern ein, wie sie in Internet-Glasfaserkabeln genutzt werden.

Überraschend war die Tatsache, dass die elektrischen und Terahertz-Pulse nicht-linear von der Anregungsleistung des benutzten Lasers abhingen, was darauf hinweist, dass die Photoemission in den Antennen durch eine Absorption von mehreren Photonen pro Lichtpuls ausgelöst wird.

»Derart schnelle, nichtlineare on-chip Pulse gab es bisher noch nicht«, sagt Alexander Holleitner, und hofft, mit Hilfe dieser noch schnellere Tunnel-Emissionseffekte in den Antennen entdecken und auch für Chip-Anwendungen nutzen zu können.