Ein neuer Weg, um Terahertz-Licht für schnellere Elektronik zu steuern

8. September 2025 Bericht

von Paul Arnold, Phys.org

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bearbeitet von Lisa Lock, überprüft von Robert Egan

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In einem Durchbruch für Technologien der nächsten Generation haben Wissenschaftler gelernt, das Verhalten winziger Wellen von Licht und Elektronen präzise zu kontrollieren, was den Weg für schnellere Kommunikation und Quantengeräte ebnet.

Das Kontrollieren von Licht auf kleinsten Skalen ist entscheidend für die Schaffung unglaublich kleiner, schneller und effizienter Geräte. Anstatt sperriger Drähte und Schaltkreise können wir Licht verwenden, um Informationen zu übertragen. Eine Herausforderung dieses Ansatzes besteht darin, dass Licht mit seiner relativ großen Wellenlänge nicht leicht in kleinen Räumen eingesperrt werden kann.

In einer in der Zeitschrift "Light: Science & Applications" veröffentlichten Studie haben Forscher jedoch eine Methode entwickelt, um winzige Wellen von Licht und Elektronen, sogenannte Dirac-Plasmon-Polaritonen (DPPs), zu kontrollieren.

Im Gegensatz zu normalem Licht können sich DPPs in winzige Räume quetschen, die hundertmal kleiner sind als ihre natürliche Wellenlänge. Das bedeutet, dass Licht in Geräten auf der Nanoskala eingesperrt und geführt werden kann. In dieser neuen Forschung zeigten die Wissenschaftler, wie sie DPPs im Terahertz (THz)-Frequenzbereich kontrollierten. Dieser Bereich liegt zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht im elektromagnetischen Spektrum und ist ein weitgehend unerforschtes Teil des Lichtspektrums.

Dem Forschungsteam gelang es, diese Wellen mithilfe einer speziellen Klasse von Nanomaterialien namens topologische Isolatoren (TIs) zu kontrollieren. TIs sind einzigartig, weil ihr Inneres sich wie ein elektrischer Isolator verhält, während die Oberfläche als Leiter fungiert. Die Forscher arbeiteten speziell mit einem fortschrittlichen Material namens epitaktisches Bi2Se3. Sie ordneten winzige Streifen dieses Materials nebeneinander mit Lücken dazwischen an. Die Anpassung der Lücken hatte zwei wichtige Konsequenzen.

Erstens konnten sie die Wellenlänge der Wellen abstimmen oder kontrollieren, indem sie sie um etwa 20 % verkürzten. Zweitens verlängerten sie die Absorptionslänge um mehr als 50 %. Dies ist die Entfernung, die Wellen zurücklegen können, bevor sie eine signifikante Menge Energie verlieren. Diese beiden Errungenschaften haben die Hauptprobleme im Umgang mit DPPs (höherer Impuls als ein regulärer Lichtstrahl, und sie verlieren schnell Energie) gelöst und sie für praktische Anwendungen nutzbarer gemacht.

"Unsere Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, die spektrale Reaktion von THz-Resonatoren auf der Basis von Bi2Se3 durch Anpassung der Lücke anzupassen. Dieses Wissen kann als Designstrategie für die Implementierung von architektonischen Konzepten auf Basis von TIs übernommen werden", schrieben die Forscher in ihrer Studie.

Dieser Durchbruch in der Kontrolle von Lichtwellen könnte die Schaffung verstellbarer und energieeffizienter THz-Geräte ermöglichen. THz-Wellen können mehr Daten als das aktuelle Wi-Fi oder 5G übertragen, was blitzschnelle Downloads und ein sichereres Netzwerk bedeutet. Die Technologie könnte auch für klarere, sicherere medizinische Bildgebung sorgen und die Grundlage für leistungsstärkere Quantencomputer bilden.

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Weitere Informationen: Leonardo Viti et al, Tracing terahertz plasmon polaritons with a tunable-by-design dispersion in topological insulator metaelements, Light: Science & Applications (2025). DOI: 10.1038/s41377-025-01884-0

Journal-Informationen: Light: Science & Applications

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