Auf Graphen basierende Materialien wandeln Terahertz-Hochfrequenzsignale effizient in sichtbares Licht um. Laut Forschern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf, des Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology, des University of Exeter Centre for Graphene Science und der TU Eindhoven ist dieser Mechanismus ultraschnell und justierbar. Das ebnet den Weg für neue Lösungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie.
Der zugrundeliegende ultraschnelle thermodynamische Mechanismus könnte Auswirkungen auf Terahertz-Telekom-Verbindungen sowie auf jede Technologie haben, die eine ultraschnelle Frequenzumwandlung von Signalen erfordert. Denn die Fähigkeit, Signale von einem Frequenzbereich in einen anderen umzuwandeln, ist der Schlüssel zu verschiedenen Technologien, insbesondere in der Telekommunikation.
Um deutlich höhere Datenübertragungsraten zu ermöglichen, müssen künftige drahtlose 6G-Kommunikationssysteme die Trägerfrequenz über 100 Gigahertz hinaus bis in den Terahertz-Bereich erweitern. Terahertz-Wellen sind ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, der zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegt. Sie können jedoch nur über begrenzte Entfernungen für die drahtlose Datenübertragung genutzt werden.
Was bisher fehlte, war ein Material, das Photonenenergien um einen Faktor von etwa 1.000 vom Terahertzbereich in den sichtbaren Bereich hochkonvertieren kann. Das Team hat erst kürzlich die starke nichtlineare Reaktion von sogenannten Dirac-Quantenmaterialien, zum Beispiel Graphen und topologischen Isolatoren, auf Terahertz-Lichtpulse entdeckt.
"Wir führen die Lichtfrequenzumwandlung in Graphen auf einen Terahertz-induzierten thermischen Strahlungsmechanismus zurück, das heisst, die Ladungsträger absorbieren elektromagnetische Energie aus dem einfallenden Terahertz-Feld. Die absorbierte Energie verteilt sich schnell im Material, was zu einer Erwärmung der Ladungsträger führt. Dies führt schließlich zur Emission von Photonen im sichtbaren Spektrum", erklärt ICN2-Forscher Klaas-Jan Tielrooij.
