Hohe Datenrate im Tera-Bereich Hauchdünner Sender für schnelleren Internetfunk

Die Terahertz-Quelle TELBE am HZDR sendet starke Terahertz-Felder mit hoher Wiederholrate aus. Die Eigenschaften der Felder lassen sich präzise an experimentelle Anforderungen anpassen.
Die Terahertz-Quelle TELBE am HZDR sendet starke Terahertz-Felder mit hoher Wiederholrate aus. Die Eigenschaften der Felder lassen sich präzise an experimentelle Anforderungen anpassen.

Mit der wachsenden Datenflut, wird eine hohe Datenrate zunehmend wichtiger – auch bei mobilen Endgeräten, die mit WLAN arbeiten. Wissenschaftler vom HZDR und dem Trinity College in Dublin haben es geschafft, Terahertz-Strahlung zu erzeugen - mit hauchdünnen Schichten als Sender.

Heutige WLAN-Sender in Computertelefonen und Notebooks arbeiten oft mit Frequenzen zwischen 2,4 und 5 Gigahertz. Damit können Daten höchstens mit einem Tempo von 600 Mbit/s drahtlos übertragen werden. Es gilt: je höher die Frequenz, umso höher die maximal erzielbare Datenrate. Ein Terahertz-WLAN könnte also auf Datenraten von bis zu 100 Gbit/s kommen. Im System der Maßeinheiten schließt sich der Tera-Bereich direkt an den Giga-Bereich an: 1 Gigahertz entspricht 109 Hertz, also 1 Milliarde Zyklen pro Sekunde. 1 Terahertz entspricht dagegen 1012 Hertz – 1 Billion Zyklen pro Sekunde.

Bisher sind erst wenige und meist recht aufwendige Varianten für die Erzeugung von Terahertz-Strahlung mit exakter Wellenlänge bekannt. Für die Experimente ließen die Wissenschaftler vom Trinity College Dublin Schichten aus verschiedenen Kompositionen einer Mangan-Gallium-Verbindung wachsen. Sie sind nur 45 bis 65 Millionstel Millimeter (Nanometer) dünn. Zum Vergleich: Tausend solcher Schichten übereinandergestapelt sind so dick wie ein Blatt Papier.

Die hauchdünnen Filme regten die Wissenschaftler am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) mit intensiven Laser-Pulsen an. Dadurch entsteht eine synchrone Pendelbewegung der magnetischen Momente in den Nanoschichten, die zur Abstrahlung von Terahertz-Wellen führt. Die Forscher können die Frequenz der Wellen sogar präzise durch die Komposition der Mangan-Gallium-Verbindung einstellen – eine wichtige Voraussetzung für Kommunikationsgeräte und Netzwerke der kommenden Generation. Noch dazu sind die Dünnschichten günstig. Laut Dr. Alina Deac, Leiterin der Helmholtz-Nachwuchsgruppen für Spinelektronik am HZDR ist es möglich, die Schichten auf Chips zu integrieren.

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 Dr. Michael Gensch, Leiter der Arbeitsgruppe am HZDR, die sich mit den wissenschaftlichen Anwendungen von hohen Terahertz-Feldern in den Material- und Lebenswissenschaften beschäftigt. Als nächstes wollen die Forscher die Sendeleistung der Terahertz-Schichten erhöhen.

Außerdem wollen die HZDR-Forscher den Weg hin in Richtung produktionsreifer superschneller WLAN-Sendemodule ein Stück weiter gehen. In einem Folgeprojekt sollen die Dünnschichten elektrisch statt mit aufwendigen Laser-Pulsen angeregt werden, um Terahertz-Strahlen auszusenden. Wenn das funktioniert, könnte am Ende des Projektes der Weg für einen ersten Prototypen für Terahertz-WLAN-Module geebnet sein.