Erst seit Beginn der 2000er Jahre gelingt es Experten, halbwegs passable Quellen für Terahertz-Wellen zu bauen. Perfekt sind diese Sender aber noch nicht – sie sind relativ groß und teuer, und die von ihnen abgegebene Strahlung hat nicht immer die gewünschten Eigenschaften.

Mit Gold implantiertes Germanium erzeugt bei Laserbeschuss Wellen mit Frequenzen von 70 THz. Diese breitbandigen Terahertz-Wellen kommen in der Materialanalytik, Umweltsensorik und in der Medizin zum Einsatz.

Mit Gold implantiertes Germanium erzeugt bei Laserbeschuss Wellen mit Frequenzen von 70 THz. Diese breitbandigen Terahertz-Wellen kommen in der Materialanalytik, Umweltsensorik und in der Medizin zum Einsatz. HZDR / Juniks

Eine der heute etablierten Erzeugungsmethoden basiert auf einem Kristall aus Galliumarsenid. Wird dieser Kristall mit kurzen Laserpulsen bestrahlt, bilden sich im Galliumarsenid Ladungsträger, die mit einer Spannung beschleunigt werden.Das erzwingt die Abstrahlung einer Terahertz-Welle – im Grunde der gleiche Mechanismus wie bei einem UKW-Sendemast. Doch diese Methode besitzt mehrere Nachteile: „Sie lässt sich nur mit relativ teuren Speziallasern betreiben“, erläutert HZDR-Physiker Dr. Harald Schneider. „Mit Standardlasern, wie man sie für die Glasfaser-Kommunikation verwendet, funktioniert das nicht.“ Ein weiteres Manko: Galliumarsenid-Kristalle liefern nur relativ schmalbandige Terahertz-Pulse und damit einen eingeschränkten Frequenzbereich – was ihr Einsatzgebiet merklich begrenzt.

Implantiertes Gold erzeugt Terahertz-Wellen

Deswegen setzten Schneider und sein Team auf ein anderes Material: Germanium. „Bei Germanium lassen sich günstigere Laser nutzen, sogenannte Faserlaser“, sagt Schneider. „Außerdem sind Germaniumkristalle sehr transparent und erlauben damit die Emission von sehr breitbandigen Pulsen.“ Bislang aber gab es ein Problem: Wird reines Germanium mit einem kurzen Laserpuls bestrahlt, dauert es mehrere Mikrosekunden, bis sich die elektrische Ladung im Halbleiter wieder abgebaut hat. Erst danach kann der Kristall den nächsten Laserpuls aufnehmen. Heutige Laser können ihre Impulse im Takt von wenigen Dutzend Nanosekunden abfeuern – eine Schussfolge, viel zu schnell für das Germanium.

Die Lösung fand sich im Edelmetall Gold. Die Forscher nutzten einen Ionenbeschleuniger, um Goldatome in den Germaniumkristall zu implantieren. Nach einem Ausheilprozess bei 900 °C verteilen sich die Goldatome gleichmäßig auf den Halbleiter. Der Erfolg zeigte sich, als das Team das goldgespickte Germanium mit ultrakurzen Laserpulsen beleuchtete: die Ladungsträger verschwanden bereits nach knapp 2 ns wieder – etwa tausendmal schneller als vorher. Das Gold fungiert dabei als Ladungsträgerfalle.

Günstige Herstellung möglich

Die neue Methode ermöglicht THz-Pulse mit großer Bandbreite: Statt 7 THz wie bei der etablierten GaAs-Technik ist es nun das Zehnfache – 70 THz. „Auf einen Schlag bekommt man ein breites und lückenloses Spektrum“, erklärt Harald Schneider. „Damit haben wir eine äußerst vielseitige Quelle zur Hand, geeignet für verschiedenste Anwendungen.“ Ein weiteres Plus: Im Prinzip lassen sich die Germanium Bauteile mit derselben Technologie verarbeiten, mit der auch Mikrochips hergestellt werden. „Anders als Galliumarsenid ist Germanium kompatibel mit Silizium“, beschreibt Schneider. „Und da sich die neuen Bauteile zusammen mit herkömmlichen Glasfaser-Lasern betreiben lassen, könnte man die Technik vergleichsweise platzsparend und preiswert gestalten.“ Anwendungsgebiete sind die Materialanalytik, Umweltssensorik und die Medizin