Neuer Modulator für Terahertz-Wellen aus optisch abgestimmtem Graphen: Photonik und Materialwissenschaften bündeln Kräfte unter dem Dach von OPTIMAS
In den letzten Jahren ist die Terahertz (THz)-Forschung wegen einer Vielzahl neuer Anwendungen in der Sicherheitstechnologie, Qualitätskontrolle, in der pharmazeutischen Industrie und Kunststoffindustrie, Astronomie und Sensorik in das Zentrum des wissenschaftlichen Interesses gerückt. Die meisten dieser Anwendungen basieren darauf, dass eine Vielzahl von Materialien für Terahertz-Strahlung transparent ist und so Objekte hinter dielektrischen Abschirmungen wie Plastik, Textilien, Papier und Karton detektiert werden können. Allerdings stellen diese Anwendungen große Anforderungen an effiziente THz-Strahlungsquellen und -Detektoren, wie auch an optische Komponenten wie Verzögerungsplatten, Linsen und Modulatoren.
Ein Material, welches für derartige Anwendungen besondere Aufmerksamkeit erregt, ist Graphen. Seit seiner Entdeckung in 2004 wurde in Graphen eine Vielzahl ungewöhnlicher physikalischer Effekte experimentell nachgewiesen, die interessante Implikationen für optische Anwendungen mit sich bringen. Insbesondere weist das Material für den THz- und den entfernten Infrarot-Bereich besondere Eigenschaften auf, die für das Design und die Herstellung dünner transformations-optischer Komponenten aus einatomigen Schichten genutzt werden können.
Die Forschungsgruppe von OPTIMAS-Wissenschaftler Marco Rahm, Fachbereich Physik, und das Institut für Oberflächen- und Schichtanalytik GmbH (IFOS) haben kürzlich herausgefunden, dass Graphen auf der Oberfläche von Silizium (graphene on top of silicon, GOS) sehr gut für eine effiziente, optisch gesteuerte Modulation von THz-Wellen geeignet ist. Im Vergleich zu reinem Silizium beobachteten die Wissenschaftler in GOS eine deutlich verstärkte Modulation von THz-Strahlung in einem großen Frequenzbereich von 0,2 THz bis 2 THz bei identischer Leistung der steuernden optischen Strahlquelle. Diese Ergebnisse könnten den Zugang zu breitbandigen und ultradünnen optisch getriebenen THz-Modulatoren ermöglichen. In Zukunft kann möglicherweise mit strukturierten Modulations-Strahlen eine räumlich aufgelöste THz-Wellenmodulation erzielt werden. Solche räumlichen THz-Wellen-Modulatoren sind von äußerstem Interesse in Hinblick auf potenzielle Anwendungen, die z.B. in komprimierten Bildgebungs-Verfahren eine herausragende Rolle spielen. Darüber hinaus ebnen die Ergebnisse den Weg in Richtung einer praktischen Implementierung einer neuen Generation kompakter, adaptiver optischer Komponenten für die THz-Technologie.
Die Ergebnisse wurden in der anerkannten Fachzeitschrift "Nano" der American Chemical Society veröffentlicht:
Peter Weis, Juan L. Garcia-Pomar, Michael Höh, Benjamin Reinhard, Alexander Brodyanski, and Marco Rahm "Spectrally Wide-Band Terahertz Wave Modulator Based on Optically Tuned Graphene" ACS Nano 6, 9118-9124 (2012)