Van gigahertz naar terahertz

Terahertzsnelheiden, het klinkt als toekomstmuziek en dat zal het zeker nog lange tijd blijven. Maar zonder onderzoek, geen vooruitgang. Dat dachten onderzoekers van de Technische universiteit München (TUM) ook en ze ontwikkelden een systeem met zogenaamde 'asymmetrische plasmonische antennes' voor het leveren van pulsen van slechts femtoseconden die uiteindelijk kunnen leiden tot snelle opto-elektronica.

Beeld: Christoph Hohmann/NIM, Holleitner/TUM

Dat was een hele mond vol aan woorden die nog lang niet zijn doorgedrongen tot de buzzwoordbingo. Dat is ook niet zo vreemd, want de gedragingen in dat spectrum tussen infrarood licht en microgolven is nog niet goed toepasbaar voor elektronica. Als je het op de schaal van radiogolven naar zichtbaar licht bekijkt, zit de mogelijkheid om terahertz-elektronica te gebruiken rond de 10 Thz. Klassieke elektronica kan frequenties aan tot ongeveer 100 Ghz. Terahertz-straling is daarnaast ideaal voor bepaalde toepassingen, zoals voor niet-invasieve beeldtechnieken bij surveillance of medische toepassingen omdat het, in tegenstelling tot röntgenstraling, dna niet beschadigt.

De onderzoekers van de TUM onder leiding van natuurkundige Alexander Holleitner hebben het voor elkaar gekregen om ultrakorte elektrische pulsen op een chip met metalen antennes van slechts enkele nanometers in grootte, te genereren. De gevormde signalen werden vervolgens uitgelezen op een gecontroleerde manier. De pulsen werden afgevuurd door een laser en genereerden vervolgens op de chip elektrische pulsen in de Thz-range. Een andere laser kon de pulsen vervolgens weer uitlezen. Het artikel verscheen in Nature.

Femtoseconden

Elektronenmicroscoopbeeld, chip met asymmetrische antenne van goud op saffier Foto: Christoph Hohmann/NIM, Holleitner/TUM

De plasmonische antennes, die zo genoemd worden omdat ze door hun vorm het licht van de lasers versterken op de metaaloppervlakken, zijn asymmetrisch waarbij een kant van de metaalstructuur iets puntiger is dan de andere zijde, iets wat er op een gerenderd plaatje altijd heel mooi uitziet. Via een lens wordt de laserstraal op de antennes gericht en de antennes stoten vervolgens meer elektronen uit aan hun puntige kant dan aan de 'platte' kant. Vervolgens ontstaat een elektrische stroom tussen de contactpunten. Deze stroom stopt als de lichtpuls stopt.

In overeenstemming met de elektrische pulsen in de antennes duurden de lichtpulsen ook slechts enkele femtoseconden. De structuur met de nano-antennes is technisch toepasbaar in terahertz-circuits van slechts enkele millimeters groot. In theorie kan een femtosecondenlaserpuls met een frequentie van 200 Thz een ultrakort Thz-signaal genereren met een frequentie van 10 Thz.

Het materiaal waar de chip van gemaakt is, bestaat uit saffier omdat dit matieraal niet optisch gestimuleerd kan worden en zo geen interferentie oplevert. Met het oog op toekomstige toepassingen, gebruikten de onderzoekers een laser met een golflengte van 1,5-micron, het type laser dat wordt toegepast in bestaande optische kabels.