Graphen macht Terahertz-Wellen zu Licht

Helfer für die Telekommunikation: Das „Wundermaterial“ Graphen könnte den Datentransfer von kabellosen 6G-Signalen auf lichtbasierte Glasfaserleitungen erleichtern. Denn Graphennetze wandeln die hochfrequenten Terahertzsignale künftiger Mobilfunknetze effizient in sichtbares Licht um, wie nun ein Experiment belegt. Diese Konvertierung ist zudem ultraschnell und präzise justierbar. Das eröffnet neue Möglichkeiten für Telekomunikation, Sensoren und Bildgebungsverfahren.

Die zwischen Infrarot und Mikrowellen liegende Terahertzstrahlung ist nicht nur für Scanner interessant: Sie soll auch den künftigen 6G-Mobilfunknetzen mehr Tempo und Übertragungskapazität verleihen. Möglich wird dies, weil die Terahertzstrahlung eine kürzere Wellenlänge hat als der herkömmliche Mobilfunk: Mit Frequenzen zwischen 300 Gigahertz und drei Terahertz ermöglicht dieser Wellenbereich höhere Datenraten in der kabellosen Kommunikation.

Frequenzwandler gesucht

Der Haken jedoch: Terahertzstrahlung hat eine geringe Reichweite und eignet sich daher nicht für die Datenübertragung über größere Entfernungen hinweg. Dafür müssen die Terahertzsignale in optische Signale umgewandelt und dann ins Glasfasernetz eingespeist werden. „Daher wird ein schneller und kontrollierbarer Mechanismus zur Umwandlung von Terahertzwellen in sichtbares oder infrarotes Licht benötigt“, erklärt Erstautor Igor Ilyakov vom Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).

Einen solchen Frequenz-Konverter könnten die Physiker nun gefunden haben – im Graphen. Dieses Material besteht aus einer einlagigen Schicht von Kohlenstoffatomen, die in Form eines Maschendrahtzaun-ähnlichen Gitters miteinander verbunden sind. Schon früher haben Studien gezeigt, dass diese Struktur dem Material ungewöhnliche mechanische, elektrische und magnetische Eigenschaften verleiht.

Kurzer Lichtpuls nach jedem Terahertz-Schub

Um zu testen, ob sich Graphen auch als Frequenzwandler eignet, haben Ilyakov und seine Kollegen mehrere Versuche durchgeführt. Dafür nutzten sie zunächst ein einfaches, auf einer Quarzunterlage liegendes Graphennetz. Sie legten an dieses ein elektrisches Feld an und bestrahlten das Graphen mit Strahlenpulsen einer Frequenz von rund 0,5 Terahertz.

Es zeigte sich: Nach jedem Terahertz-Strahlenpuls gab das Graphennetz sichtbares Licht ab. Dieses Leuchten begann fast unmittelbar nach dem Terahertzpuls, hielt aber rund 240 Pikosekunden an. „Die sichtbare Lichtemission ist demnach immer nur während einer sehr kurzen Zeitspanne nach dem Terahertzpuls präsent“, schreiben die Physiker. „Das ist interessant, denn es erlaubt eine Konversion von Terahertz zu sichtbarem Licht mit hohen Modulationsfrequenzen.“ Die Umwandlung ließ sich zudem durch die angelegten elektrischen Felder steuern.

Emission durch thermischen Effekt

Weitere Tests ergaben, dass die Intensität des vom Graphen ausgesendeten Lichts zunimmt, wenn das Kohlenstoffmaterial dotiert wird – indem man gezielt einige Fremdatome ins Kohlenstoffgitter einschleust. Ebenfalls als günstig erwies sich das Übereinanderlegen mehrerer dotierter Graphenschichten. Die besten Ergebnisse bei der Umwandlung der Terahertzpulse zu sichtbarem Licht erzielten die Forschenden dabei mit einem Graphen-Metamaterial. Bei diesem war das Graphennetz von dünnen Metallstreifen in Abständen von jeweils zwei Mikrometern bedeckt.

Ihre Analysen enthüllten auch, warum das Graphen unter Terahertzbeschuss aufleuchtet: „Wir führen die Lichtfrequenzumwandlung in Graphen auf einen Terahertz-induzierten thermischen Strahlungsmechanismus zurück“, erklärt Seniorautor Klaas-Jan Tielrooij vom Katalanischen Institut für Nanowissenschaft und Nanotechnologie (ICN2). „Die Ladungsträger absorbieren elektromagnetische Energie aus dem einfallenden Terahertz-Feld. Die absorbierte Energie verteilt sich schnell im Material, was zu einer Erwärmung der Ladungsträger führt. Dies führt schließlich zur Emission von Photonen im sichtbaren Spektrum.“

Großes Potenzial in Telekommunikation und Sensortechnik

Nach Ansicht der Forschenden könnten sich solche Graphen-Materialien damit gut als Frequenzwandler für den Terahertzbereich eignen. Denn mit ihnen lassen sich selbst die schnellen Pulse eines Terahertz-Mobilfunksignals in entsprechende Pulse im Lichtbereich „übersetzen“. „Damit eröffnet dieser Mechanismus einen vielversprechenden Weg zu Terahertz-zu-Telekommunikation-Schnittstellen“, konstatieren Ilyakov und seine Kollegen.

Das Potenzial für Anwendungen ist hoch: Die schnelle Umwandlung von Terahertzstrahlung in sichtbares Licht sowie ihre Justierbarkeit könnte sich für zahlreiche Anwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie nutzen lassen, wie das Team erklärt. Neben dem Mobilfunk könnten auch Sensoren und Bildgebungsverfahren davon profitieren. (Nano Letters, 2023; doi: 10.1021/acs.nanolett.3c00507)

Quelle: Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf