Graphen enthüllt verborgene Frequenzen des elektromagnetischen Spektrums
@GrapheneAgenda
Ein auf Graphen basierender Frequenzverstärker wird es ermöglichen, die schwer fassbaren Terahertz-Wellenlängen für die Kommunikation nutzbar zu machen und damit revolutionäre Technologien zu ermöglichen.
Terahertz-Wellen (THz) liegen im Frequenzspektrum des Lichts zwischen Mikrowellen und Infrarot, doch aufgrund ihrer geringen Energie konnten Wissenschaftler ihr Potenzial bisher nicht ausschöpfen.
Das Rätsel ist in wissenschaftlichen Kreisen als Terahertz-Lücke bekannt.
Die Fähigkeit, THz-Wellen (T-Strahlen) zu detektieren und zu verstärken, würde eine neue Ära für medizinische, Kommunikations-, Satelliten-, kosmologische und andere Technologien eröffnen.
Eine der wichtigsten Anwendungen wäre eine sichere und zerstörungsfreie Alternative zu Röntgenstrahlen. Bislang konnten jedoch Wellenlängen von 3 Millimetern bis 30 Pikometern aufgrund der relativ schwachen Signale aller vorhandenen Quellen nicht genutzt werden.
Ein Team von Physikern hat mit Graphen und einem Hochtemperatur-Halbleiter einen neuartigen optischen Transistor geschaffen, der als THz-Verstärker funktioniert.
Die Physik hinter dem Verstärker beruht auf den Eigenschaften von Graphen, das transparent und unempfindlich gegenüber Licht ist und dessen Elektronen keine Masse haben. Es besteht aus zwei Schichten Graphen und einem Supraleiter, der die masselosen Elektronen des Graphen wie ein Sandwich dazwischen einfängt.
Das in Physical Review Letters beschriebene Gerät wird an eine Stromversorgung angeschlossen. Wenn THz-Strahlung auf die äußere Schicht von Graphen trifft, schließen sich darin gefangene Teilchen den ausgehenden Wellen an und geben ihnen mehr Kraft und Energie als sie ankamen, wodurch sie verstärkt werden.
Professor Fedor Kusmartsev vom Fachbereich Physik der Universität Loughborough sagte in einer Erklärung: "Das Gerät hat eine sehr einfache Struktur, bestehend aus zwei Schichten Graphen und Supraleiter, die ein Sandwich bilden. Wenn THz-Licht auf das Sandwich fällt, reflektiert es wie ein Spiegel.
"Der Hauptpunkt ist, dass mehr Licht reflektiert wird, als auf das Gerät fällt. Es funktioniert, weil die externe Energie durch eine Batterie oder durch auftreffendes Licht aus anderen Frequenzen, die höher im elektromagnetischen Spektrum liegen, zugeführt wird.
"Die THz-Photonen werden durch das Graphen in masselose Elektronen umgewandelt, die wiederum in reflektierte und energetisierte THz-Photonen zurückverwandelt werden. Durch eine solche Umwandlung nehmen die THz-Photonen Energie aus dem Graphen bzw. der Batterie auf und die schwachen THz-Signale werden verstärkt".
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