Wissenschaftler entwickeln Terahertz Laser
Flexibel durch Halbleiter-Materialien
Wissenschaftler aus Italien und Großbritannien haben einen Terahertz-Laser entwickelt und präsentieren ihre technische Innovation in Nature
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Zwischen den Mikrowellen und infrarotem Licht liegt der Terahertz-Frequenzbereich (ein Terahertz, THz = eine Billion Hertz). Im Megahertz-Bereich arbeiten Kommunikationssysteme wie Radio, Funk und Fernsehen, im Gigahertzbereich die Mikrowellen sowie die Satelliten- und Mobilkommunikation. Dann kommt die große Lücke im Terahertzbereich, bevor die sichtbare und Wärme-Strahlung einsetzt. Bislang war keine Halbleiter-Technologie fähig, innerhalb dieser Lücke effektiv elektrischen Strom in elektromagnetische Strahlung umzuwandeln.
Rüdeger Köhler, Alessandro Tredicucci und Fabio Beltram von der Scuola Normale Superiore im italienischen Pisa, Harvey E. Beere, Edmund H. Linfield, A. Giles Davies und David Ritchie vom Cavendish Laboratory, University of Cambridge, GB sowie Rita C. Iotti und Fasuto Rossi vom Politecnico di Torino, Italien haben jetzt einen Laser gebaut, der aus herkömmlichen Halbleiter-Materialien besteht. Dieser neue Typ von kompaktem Laser produziert Strahlung im Terahertz-Bereich der elektromagnetischen Strahlung (herkömmliche Laser können bis maximal 30 THz herunter gefahren werden) und ist potenziell für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. In diesem Bereich schwingen die Moleküle und zwar jedes in ganz eigener, unverwechselbarer Art. Damit sind Stoffe eindeutig zu identifizieren, im großen Maßstab in der Radioastronomie der Weltraumforschung und Analysen der Erdatmosphäre, im kleinen Maßstab bei den bildgebenden Verfahren der Medizintechnik und chemischen Analysen mittels molekularer Spektroskopie. Der größte und voraussichtlich lukrativste Markt für die neue Technologie ist aber die Telekommunikation.
Die verwendeten Materialien der hauchdünnen Schichtenstrukturen des "Terahertz Semiconductor-Heterostructure Lasers" sind die üblicherweise auch in konventionellen Lasern wie CD-Abspielgeräten verwendeten, namentlich Gallium-Arsenid (GaAs) und Aluminium-Gallium-Arsenid (AlGaAs). Der Laser produziert Strahlung von 4,4 THz, in dem Elektronen in eine Quantenstruktur injiziert werden. Im Gegensatz zu einem früher entwickelten Terahertz-Laser auf Germaniumbasis (Vgl. Terahertz-Spektroskopie), handelt es sich um ein kompaktes Gerät, das in Hinblick auf eine künftig kommerzielle Nutzung vielversprechend erscheint, da es durch seine Struktur und die Halbleiter-Materialien flexibler ist.
Das meint jedenfalls Carlo Sirtori von der Semiconductor Lasers Group, Thales Research and Technology in Frankreich in seinem begleitenden News-and-Views-Artikel in Nature. Er schreibt: "Es ist noch ein langer Weg bis kommerzielle Geräte, die auf diesem Prinzip beruhen, in Massen produziert werden können. Aber diese Demonstration zeigt, dass es möglich sein könnte, die Terahertz-Lücke zwischen Transistor- und Laser-Technologie zu überbrücken."
Wie interessant dieser Bereich auch für die Computerindustrie ist, zeigt der internationale Wettlauf um die schnellsten Transistoren (Vgl. Rennen um schnellsten Transistor geht weiter).
Auch in Deutschland wird intensiv in Richtung der Nutzung des Terahertz-Bereichs gearbeitet. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat dazu einen Sonderforschungsbereich eingerichtet und an mehreren Universitäten wird intensiv in dieser Richtung geforscht (Vgl. Weltrekord im Kosmos der Teilchen). Links zu deutschen und internationalen Instituten und Wissenschaftlern, die im Terahertz-Bereich forschen, gibt es online hier.