Superschnelles WLAN dank Terahertz-Strahlung

  • 25. July 2016

Hauchdünne Schichten aus Mangan und Gallium senden sehr effi­zient im Tera­hertz-Bereich.

Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf und am irischen Trinity College Dublin haben einen viel versprechenden Ansatz gefunden, der Note­books und anderen mobilen Geräten in Zukunft deutlich schnellere Internet-Funk­zu­gänge ermög­lichen könnte. Die Teams brachten hauch­dünne Schichten aus einer speziellen Verbindung von Mangan und Gallium dazu, sehr effi­zient Strahlung im Tera­hertz-Bereich auszu­senden. Als Sender in WLAN-Funk­netzen einge­setzt, könnten die höheren Frequenzen die Daten­raten zukünf­tiger Kommu­ni­kations-Netze spürbar erhöhen.

TELBE

Abb.: Die Terahertz-Quelle TELBE des HZDR sendet starke Tera­hertz-Felder mit hoher Wieder­hol­rate aus, deren Eigen­schaften sich präzise an expe­ri­men­telle Anfor­de­rungen an­passen lassen. (Bild: F. Bier­stedt, HZDR)

Michael Gensch und seine Arbeitsgruppe am HZDR beschäftigt sich mit den wissen­schaft­lichen Anwen­dungen von Tera­hertz-Feldern in den Material- und Lebens­wissen­schaften. Das Team hat die neuen Schichten mit Lasern, sowie mit kurzen, starken Tera­hertz-Pulsen vermessen. Bisher sind erst wenige und meist recht auf­wendige Varianten für die Erzeugung von mono­chromer Tera­hertz-Strahlung bekannt. Die jetzt unter­suchten Dünn­schichten dagegen sind billige und für eine Groß­pro­duktion gut geeignete Quellen für Tera­hertz-Strahlen mit exakt ein­stell­barer Wellen­länge.

Heutige WLAN-Sender arbeiten oft mit Frequenzen zwischen 2,4 und 5 Giga­hertz. Über diese Funk­ver­bindungen können sie in der Praxis Daten höchstens mit einem Tempo von 600 Megabit je Sekunde draht­los über­tragen. Ein Tera­hertz-WLAN könnte auf Daten­raten von bis zu 100 Gigabit je Sekunde kommen

Für die Experimente hatten Karsten Rode und seine Arbeits­gruppe am Trinity College Dublin besondere Schichten aus ver­schie­denen Kompo­si­tionen einer Mangan-Gallium-Verbindung wachsen lassen, die nur 45 bis 65 Nano­meter dünn sind. Diese hauch­dünnen Filme regten die Wissen­schaftler in Dresden-Rossen­dorf dann mit inten­siven Laser-Pulsen an. Durch diese Anregung entsteht eine synchrone Pendel­bewegung der magne­tischen Momente in den Nano­schichten, die zur Abstrahlung von Tera­hertz-Strahlung führt.

Technologisch interessant ist nun, dass die Forscher die Frequenz der abge­strahlten Tera­hertz-Wellen präzise durch die Kompo­sition der Mangan-Gallium-Verbindung ein­stellen können. „Die Emission ist zudem ein über­raschend effi­zienter Prozess“, so Gensch. „Damit handelt es sich bei den von uns unter­suchten Schichten um eine einzig­artige Techno­logie, um Tera­hertz-Strahlung zu erzeugen und die Frequenz dieser Strahlung nach Wunsch einzu­stellen.“ Das ist eine wichtige Voraus­setzung für Kommu­ni­ka­tions­geräte und Netze der kommenden Gene­ration.

Zur Aufklärung der zugrundeliegenden physika­lischen Prozesse konnte die neue Tera­hertz-Anlage TELBE im ELBE-Zentrum für Hoch­leistungs-Strahlen­quellen des HZDR ent­scheidend bei­tragen. „TELBE hat es uns ermöglicht, die kohä­rente Anregung der magne­tischen Momente im elek­tro­nischen Grund­zustand direkt zu vermessen“, erklärt Gensch. Als nächstes wollen die Forscher die Sende­leistung der Tera­hertz-Schichten erhöhen. Ange­sichts der viel verspre­chenden Labor-Ergeb­nisse wollen die HZDR-Forscher nun den Weg hin in Richtung produk­tions­reifer super­schneller WLAN-Sende­module ein Stück weiter gehen. In einem Folge­projekt wollen sie ihre Dünn­schichten elek­trisch statt mit auf­wendigen Laser-Pulsen dazu anregen, Tera­hertz-Strahlen auszu­senden. Wenn das funk­tio­niert, könnte am Ende des Projekts der Weg geebnet sein für einen ersten Proto­typen für Tera­hertz-WLAN-Module.

HZDR / RK

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