Terahertz-Wellen haben in den letzten Jahren als vielversprechender Bereich der elektromagnetischen Strahlung immer mehr Aufmerksamkeit erhalten. Sie liegen im Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht und verbinden dabei einzigartige Eigenschaften beider Bereiche. Die Wellen mit sehr kurzen Wellenlängen und hohen Frequenzen bieten enormes Potenzial für die Übertragung großer Datenmengen, hochauflösende Bildgebung und präzise Radarsysteme. Nicht zuletzt wegen dieser Eigenschaften gilt der Terahertz-Bereich als Schlüsseltechnologie für zukünftige Kommunikations-, Sicherheits- und Gesundheitstechnologien. Doch die praktische Nutzung und Integration dieser Wellen in elektronische Geräte waren bisher durch technische Herausforderungen begrenzt.
Eine bahnbrechende Entwicklung aus dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) könnte diese Hürden überwinden und neue Möglichkeiten eröffnen. Forscher dort haben ein chipbasiertes Terahertz-System entwickelt, das hocheffiziente und leistungsstarke Terahertz-Wellen erzeugt, ohne dass dazu große, teure Siliziumlinsen notwendig wären. Diese Innovation ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu kompakten, kostengünstigen und skalierbaren Geräten. Die technische Herausforderung bei der Erzeugung von Terahertz-Wellen auf einem Chip liegt in der begrenzten Ausgangsleistung. Die starke Dämpfung und Reflexion der Wellen an den Grenzflächen, insbesondere zwischen Silizium und Luft, verringern die tatsächlich abgestrahlte Leistung deutlich.
Herkömmliche Verfahren setzen oft auf große Siliziumlinsen, um das Signal zu bündeln und zu verstärken. Jedoch sind diese Linsen schwer in miniaturisierte Systeme zu integrieren, zusätzlich erhöhen sie Kosten und Platzbedarf. Die Forschungsgruppe am MIT hat deshalb einen anderen Weg eingeschlagen und dabei eine elektromechanische Theorie namens Matching genutzt, um den Übergang zwischen Silizium und Luft zu optimieren. Mit Hilfe eines dünnen, speziell präparierten Materials, das an der Rückseite des Chips angebracht wird, konnten sie die Differenz der Dielektrizitätskonstanten zwischen Silizium und Luft ausgleichen. Dadurch wird der Anteil der reflektierten Wellen deutlich reduziert und mehr Energie gelangt aus dem Chip heraus.
Eine weitere besondere Innovation ist die Nutzung leistungsfähiger Transistoren von Intel, die für hohe Frequenzen und Spannungen ausgelegt sind. Diese Transistoren konnten in Kombination mit dem angepassten Material auf der Rückseite des Chips dazu beitragen, eine bisher unerreichte Strahlungsleistung von 11,1 Dezibel-Milliwatt zu erzielen. Dies ist ein Spitzenwert, der zeigt, dass die neue Technologie nicht nur theoretisch, sondern auch praktisch überzeugt und für den Einsatz in realen Systemen geeignet ist. Zudem wurde das Substratmaterial so gewählt und bearbeitet, dass es kostengünstig produziert und leicht skaliert werden kann – ein zentraler Aspekt für die industrielle Anwendung. Die Anwendungsfelder für diese chipbasierten Terahertz-Systeme sind vielfältig und weitreichend.
In der medizinischen Bildgebung ermöglichen Terahertz-Wellen durch ihre Fähigkeit, viele Materialien sicher und zerstörungsfrei zu durchdringen, hochauflösende Aufnahmen von Gewebe und anderen Strukturen. Das eröffnet neue Diagnosemöglichkeiten vor allem in der Onkologie und Dermatologie. Im Bereich der Sicherheit könnten kompakte und leistungsstarke Scanner entwickelt werden, die versteckte Objekte schnell und zuverlässig erkennen und zugleich die Privatsphäre der Insassen wahren. Auch in der Umweltüberwachung könnten solche Arrays etwa Schadstoffe oder Luftverschmutzungen mit hoher Sensitivität registrieren. Darüber hinaus ist das Potenzial für schnelle drahtlose Kommunikation enorm.
Terahertz-Wellen können eine viel höhere Datenrate übertragen als bisher verwendete Funkfrequenzen, was in einer immer digitaler werdenden Welt den Anforderungen nach größeren Bandbreiten und schnellerem Datentransfer entgegenkommt. Die Herausforderung, die Abstrahlleistung und Skalierbarkeit bei gleichzeitiger Miniaturisierung zu vereinbaren, wurde mit der neuen Technologie entscheidend adressiert. Durch die Möglichkeit, die Chips zu Systemen mit Hunderten von einzelnen Elementen zu verbinden, kann Energie gebündelt und sogar gerichtete Strahlen erzeugt werden, was den Wirkungsgrad weiter steigert und vielseitige Einsatzszenarien eröffnet. Die Forschung am MIT ist nur ein Meilenstein auf einer spannenden Reise in die Zukunft der Terahertz-Technologie. Die Kombination aus innovativem Materialdesign, fortschrittlichen Halbleiterkomponenten und intelligenten Konzepten zur Wellenausstrahlung ist ein Paradebeispiel für interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Elektrotechnik, Materialwissenschaft und Halbleitertechnik.
Die Erkenntnisse können auf zahlreiche weitere Anwendungen übertragen werden und ebnen den Weg für neue Gerätetypen, die bis dahin technisch und wirtschaftlich nicht umsetzbar waren. Auch wirtschaftlich könnten chipbasierte Terahertz-Systeme eine wichtige Rolle spielen. Durch die Verwendung von kostengünstigen und skalierbaren Fertigungstechniken sind sie geeignet, in Massenproduktion hergestellt und breit eingesetzt zu werden. Damit sind sie prädestiniert für den Einsatz in Konsumelektronik ebenso wie in industriellen und sicherheitsrelevanten Bereichen. Die Unterstützungen von Institutionen wie Nasa und Intel zeigen das Interesse von Industrie und Forschung an der Technologie und deren großem Potenzial für Innovationen.
