Neuer Chip bedient schwierigen Frequenzbereich Schließen asymmetrische Nanoantennen die Terahertz-Lücke?

In Wissenschaftsnachrichten finden sich häufig Superlative wie „kleinste“, „höchste“, „größte“. Doch manchmal liegt die wahre Herausforderung in der Mitte, so wie in der Elektronik. Dort ist es besonders schwierig, Signale mit einer Frequenz im Terahertz-Bereich zu erzeugen, wie sie für die Entwicklung neuartiger Chips und Schaltkreise benötigt werden. Genau diese Lücke konnten Forscher der Technischen Universität München nun schließen – mit asymmetrischen Nanoantennen.

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München – Die klassische Elektronik ermöglicht Frequenzen bis etwa 100 Gigahertz. Für Frequenzen über zehn Terahertz eignet sich die Opto-Elektronik, die elektromagnetische Phänomene zur Signalübertragung nutzt. Zwischen diesen beiden Methoden klafft eine Lücke im Frequenzband, die als Terahertz-Lücke bezeichnet wird. Bauelemente zur Signalerzeugung, Umwandlung und Detektion für die Frequenzen dort sind bislang extrem schwierig zu realisieren.

Ein Team unter Leitung der TUM-Physiker Prof. Dr. Alexander Holleitner und Prof. Dr. Reinhard Kienberger hat nun eine Methode entwickelt, mit der die Terahertz-Lücke der Vergangenheit angehören könnte: Den Wissenschaftlern ist es gelungen, mithilfe von wenigen Nanometer großen Metallantennen elektrische Pulse in dem schwierigen Frequenz-Bereich von bis zu zehn Terahertz zu generieren, über einen Chip laufen zu lassen und wieder auszulesen. Die genutzten Nanoantennen wirken plasmonisch, das heißt, dass sie aufgrund ihrer Form die Lichtintensität an den Metalloberflächen verstärken.

Form der Antennen ist entscheidend

Der Form der Antennen kommt eine wichtige Bedeutung zu. Sie sind asymmetrisch: Eine Seite der nanometergroßen Metallstrukturen ist spitzer als die andere. Regt ein über eine Linse fokussierter Laserpuls die Antennen an, emittieren sie an ihrer spitzen Seite mehr Elektronen als an der gegenüberliegenden flachen. Zwischen den Kontakten fließt ein elektrischer Strom – aber nur solange die Antennen mit dem Laserlicht angeregt werden.

„Bei der Photoemission werden Elektronen, durch den Lichtpuls ausgelöst, aus dem Metall in das Vakuum ausgesendet“, erklärt Christoph Karnetzky, Erstautor der Nature-Arbeit. „Alle Lichteffekte sind auf der spitzen Seite stärker, auch die Photoemission, mit deren Hilfe wir einen kleinen Strom generieren.“

Ultrakurze Signale auf einem Chip aus Saphir

Die Lichtpulse waren nur wenige Femtosekunden lang, entsprechend kurz waren auch die elektrischen Pulse in den Antennen. Technisch sei der Aufbau besonders interessant, weil die Nano-Antennen in mehrere Millimeter große Terahertz-Schaltkreise integriert werden konnten, heißt es in einer Pressemeldung.

Ein Femtosekunden-Laserpuls mit einer Frequenz von 200 Terahertz könne in den Schaltkreisen auf dem Chip ein ultrakurzes Terahertz-Signal mit einer Frequenz von bis zu 10 Terahertz erzeugen, so Karnetzky.

Als Chip-Material verwendeten die Forscher Saphir, weil es sich optisch nicht anregen lässt und deshalb keine Störung verursacht. Im Hinblick auf zukünftige Einsatzmöglichkeiten setzten sie Laser mit einer Wellenlänge von 1,5 Mikrometern ein, wie sie in herkömmlichen Internet-Glasfaserkabeln genutzt werden.

Pulse nicht linear von Laserleistung abhängig

Holleitner und seine Kollegen machten noch eine weitere erstaunliche Entdeckung: Sowohl die elektrischen als auch die Terahertz-Pulse hingen nicht-linear von der Anregungsleistung des benutzten Lasers ab. Dies deutet darauf hin, dass die Photoemission in den Antennen durch die Absorption von mehreren Photonen pro Lichtpuls ausgelöst wird.

„Derart schnelle, nichtlineare on-chip Pulse gab es bisher noch nicht“, sagt Holleitner, und hofft, mit ihrer Hilfe noch schnellere Tunnel-Emissionseffekte in den Antennen entdecken und auch für Chip-Anwendungen nutzen zu können.

Originalpublikation: C. Karnetzky, P. Zimmermann, C. Trummer, C. Duque-Sierra, M. Wörle, R. Kienberger, A. Holleitner: Towards femtosecond on-chip electronics based on plasmonic hot electron nano-emitters. Nature Communications June 25, 2018 , DOI: 10.1038/s41467-018-04666-y

* Dr. A. Battenberg, Technische Universität München, 80333 München

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