Der Neue Wiesentbote

Von Heinrich Hertz zu Terahertz

High-Tech-Anwendungen in der Optoelektronik arbeiten heute mit ultraschnellen elektrischen Schwingungen und erreichen teilweise Frequenzen bis in den Terahertz-Bereich. Einem Team der Universitäten Bayreuth und Melbourne ist jetzt die Entwicklung eines Mikroskops gelungen, das Videos dieser Schwingungen aufzeichnet. Das Leuchten von Halbleiter-Nanokristallen macht die bisher verborgenen elektrischen Felder sichtbar, die ultraschnelle elektrische Bauteile antreiben. In der Zeitschrift „Light: Science & Applications“ stellen die Forscher*innen ihre Entdeckung vor. Das Mikroskop könnte dafür eingesetzt werden, die treibenden Felder in Nano-Schaltkreisen im laufenden Betrieb zu beobachten.

Prof. Dr. Georg Herink, Letztautor der neuen Studie (li.), und Erstautor Moritz Heindl M.Sc. (re.) am Mikroskopie-Aufbau im Labor für ultraschnelle Dynamik an der Universität Bayreuth. Bild: AG Herink. © UBT

Das menschliche Auge erfasst die Intensität von Licht, registriert allerdings nicht die zugrundeliegenden elektrischen Felder. Erst 1886 konnte Heinrich Hertz deren Existenz beweisen, indem er Atome durch elektromagnetische Wellen zum Leuchten brachte. Allerdings blieb der zeitliche Verlauf der Wellen, die heute vielfach in schnellen elektrischen Schaltkreisen genutzt werden, dem Auge auch weiterhin verborgen. Wissenschaftler*innen der Universitäten Bayreuth und Melbourne machen sie jetzt erstmals in einem Mikroskop sichtbar. Hierfür nutzen sie Halbleiter-Nanokristalle aus ein- bis zehntausend Atomen, die in der Forschung als Quantenpunkte bezeichnet werden. Entscheidend ist dabei die Fluoreszenz der Quantenpunkte: Sie werden auf eine im Mikrometerbereich strukturierte Oberfläche aufgebracht und bilden eine Beschichtung, die auf elektrische Felder empfindlich reagiert – und zwar in der Weise, dass sich die Fluoreszenzsignale der Quantenpunkte ändern. Im Mikroskop werden nun Proben der beschichteten Oberfläche durch elektrische Terahertz-Felder angeregt und in kürzester Zeit danach mit Femtosekunden-Laserblitzen abgetastet. Die Auflösung ist extrem hoch: Eine einzelne Schwingung des elektrischen Felds mit einer Frequenz von einer Billion Hertz kann auf diese Weise registriert und in ein optisches Signal umgewandelt werden. Eine Billion Hertz entspricht einem Terahertz (1 THz).

Momentaufnahmen aus einem Mikroskopie-Video lösen eine einzelne Schwingung des elektrischen Feldes in einer Mikrostruktur auf. Bild: Moritz Heindl

Mit dem neuen Mikroskop ist es dem Team in Bayreuth und Melbourne gelungen, ein Video der elektrischen Felder im Inneren einer Terahertz-Antenne – eines sogenannten Bowtie-Resonators – aufzuzeichnen. Diese Antennen bilden das Herzstück von THz-Funkverbindungen und ermöglichen die breitbandige Verstärkung ultraschneller Signale. An der Universität Bayreuth werden sie in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof Dr. Markus Retsch (Physikalische Chemie) weiterentwickelt. „Wir mikroskopieren die Feldverteilungen in dieser Terahertz-Antenne weit unterhalb der Beugungsgrenze, nämlich mit der Auflösung eines Hundertstels der THz Wellenlänge. Grundsätzlich ermöglicht unsere Methode noch eine weit höhere Auflösung. Sie kann durch höchstauflösende Fluoreszenzmikroskopie deutlich verfeinert werden. Mit diesem Ziel werden wir auch in Zukunft eng mit der australischen Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Paul Mulvaney zusammenarbeiten“, sagt der Bayreuther Doktorand und Erstautor der Studie, Moritz Heindl M.Sc.

Ultraschnelle Terahertz-Mikroskopie nutzt leuchtende Nanokristalle, um elektrische Nahfelder sichtbar zu machen. Bild: Moritz Heindl

Im Hinblick auf künftige technologische Anwendungen ist das neue „Feld-Mikroskop“ insbesondere deshalb interessant, weil es jetzt möglich ist, die Anregung und Ausbreitung von stark lokalisierten THz-Wellenpaketen auf komplexen Oberflächenstrukturen zu verfolgen. „Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten zur Beschleunigung zukünftiger Mikroelektronik. Lineare und nichtlineare Effekte in maßgeschneiderten Halbleiter-Materialsystemen können genutzt werden, um mikroskopische Felder gezielt zu formen und Signale ultraschnell zu verarbeiten“, sagt der Leiter der Studie, Prof. Dr. Georg Herink, Juniorprofessor für Ultraschnelle Dynamik an der Universität Bayreuth.

Forschungsförderung:

Die Arbeit wurde von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Europäischen Forschungsrat (ERC) und dem Australian Research Council (ARC) gefördert.

Veröffentlichung:

Moritz B. Heindl, et al.: Ultrafast imaging of terahertz electric waveforms using quantum dots, Light: Science & Applications (2022), https://doi.org/10.1038/s41377-021-00693-5