Metamaterial: Schalter für Terahertz-Wellen

Sie brechen das Licht in die "falsche" Richtung und lassen Objekte unsichtbar werden: Metamaterialien stoßen auf immer größeres Interesse bei den Wissenschaftlern.

Los Alamos (USA) - Aus verschiedensten Elementen aufgebaut, weisen sie bisher unerreichte optische Eigenschaften auf. Diese beruhen nicht mehr allein auf dem verwendeten Werkstoff, sondern auf der Mikrostrukturierung eines Moduls. Amerikanische Forscher wollen nun Terahertz-Wellen mit einem neuen Metamaterial effizienter kontrollieren. Ihre Ergebnisse, die zu neuen Kommunikations- und Bildgebungsverfahren führen könnten, präsentieren sie in der Zeitschrift "Nature".

"Viele Materialien haben keinen Einfluss auf Terahertz-Strahlung", schreiben Hou-Tong Chen und seine Kollegen vom Los Alamos National Laboratory, "und Werkzeuge, die für den Bau von Quellen, Linsen, Schaltern, Modulatoren und Detektoren nötig sind, existieren kaum." Lassen sich heute Terahertz-Wellen, die im elektromagnetischen Strahlungsspektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung liegen, schon gut erzeugen und nachweisen, ist deren Kontrolle mit entsprechenden Wellenoptiken noch sehr schwierig. Chen baute daher aus strukturierten Gold-Leiterbahnen auf einer halbleitenden Unterlage ein Metamaterial auf, das die Intensität von Terahertz-Strahlung beeinflussen kann. Über elektrische Spannungen gesteuert kann dieses Modul als Schalter oder Modulator für Terahertz-Wellen dienen.

Herzstück ist die 150 Nanometer dünne Goldschicht, die mit photolithographischen Methoden zu Mikrometer feinen, regelmäßigen Strukturen, so genannte Split-Ring-Resonatoren, zerteilt wurde. Unter einer Spannung von etwa 16 Volt gesetzt, veränderte dieses Metamaterial sein Transmissionsverhalten im Frequenzbereich zwischen 0,5 und 2 Terahertz. Bei einer Resonanzfrequenz von etwa 0,72 Terahertz konnten nur knapp zehn Prozent der Strahlung durch das Modul gelangen. Die Ursache dieses Effekts sehen die Physiker in der Wechselwirkung der polarisierten Terahertzstrahlung und dem entsprechenden elektrischen Feld mit den Strom durchflossenen Mikrostrukturen.

Dieses symmetrisch strukturierte Metamaterial erlaubt die schaltbare Transmission von Terahertzstrahlung etwa eine Größenordnung besser als bisher existierende Module. Darauf aufbauend können nun Modulatoren oder gar Schalter für diesen sonst schwer kontrollierbaren Frequenzbereich aufgebaut werden. Werden Terahertzwellen bisher für neuartige Durchleuchtungsgeräte für Sicherheitskontrollen in Flughäfen getestet, könnten mit geeigneten Metamaterialien die Anwendungsgebiete auch auf neue Übertragungskanäle für Daten oder Bild gebende Verfahren ausgeweitet werden.