Deckt Graphen verborgene Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums auf?


Ein Frequenzverstärker auf Graphenbasis wird es ermöglichen, die schwer fassbaren Terahertz-Wellenlängen für die Kommunikation zu nutzen und damit revolutionäre Technologien zu ermöglichen.

Neue Ära für medizinische, kosmologische und andere Technologien

Terahertz-Wellen (THz) liegen im Frequenzspektrum des Lichts zwischen Mikrowellen und Infrarot, aber ihre geringe Energie hat Wissenschaftler bisher daran gehindert, ihr Potenzial auszuschöpfen.

Das Rätsel ist in wissenschaftlichen Kreisen als Terahertz-Lücke bekannt.

Die Fähigkeit, THz-Wellen (T-Strahlen) aufzuspüren und zu verstärken, würde eine neue Ära für Medizin-, Kommunikations-, Satelliten-, kosmologische und andere Technologien eröffnen.

Eine der wichtigsten Anwendungen wäre eine sichere und zerstörungsfreie Alternative zu Röntgenstrahlen. Bislang konnten jedoch Wellenlängen von 3 Millimetern bis 30 Pikometern wegen der relativ schwachen Signale aller vorhandenen Quellen nicht genutzt werden.

Unter Verwendung von Graphen und einem Hochtemperatur-Halbleiter hat ein Team von Physikern einen neuartigen optischen Transistor geschaffen, der als THz-Verstärker funktioniert.

Die Physik hinter dem Verstärker beruht auf den Eigenschaften von Graphen, das transparent und unempfindlich gegenüber Licht ist und dessen Elektronen keine Masse haben. Er besteht aus zwei Schichten Graphen und einem Supraleiter, der die masselosen Elektronen des Graphen wie ein Sandwich zwischen sich einschließt.

Das in Physical Review Letters beschriebene Gerät ist an eine Stromversorgung angeschlossen. Wenn die THz-Strahlung auf die äußere Graphenschicht trifft, verbinden sich die darin gefangenen Teilchen mit den ausgehenden Wellen und geben ihnen mehr Kraft und Energie als sie bei ihrer Ankunft hatten, wodurch sie verstärkt werden.

Professor Fedor Kusmartsev vom Fachbereich Physik der Universität Loughborough sagte in einer Erklärung: "Das Gerät hat eine sehr einfache Struktur, bestehend aus zwei Schichten Graphen und Supraleiter, die ein Sandwich bilden. Wenn THz-Licht auf das Sandwich fällt, reflektiert es wie ein Spiegel.

"Der wichtigste Punkt ist, dass mehr Licht reflektiert wird als auf das Gerät fällt. Es funktioniert, weil die externe Energie durch eine Batterie oder durch einfallendes Licht von anderen Frequenzen, die höher im elektromagnetischen Spektrum liegen, geliefert wird", sagte er.

"Die THz-Photonen werden durch das Graphen in masselose Elektronen umgewandelt, die wiederum in reflektierte und angeregte THz-Photonen zurückgewandelt werden. Durch diese Umwandlung absorbieren die THz-Photonen Energie aus dem Graphen oder der Batterie und die schwachen THz-Signale werden verstärkt.