Ein internationales Forschungsprojekt unter der Leitung von Josh Caldwell von der Vanderbilt University und Alexander Paarmann vom Fritz-Haber-Institut hat bahnbrechende Fortschritte in der Terahertz-Technologie erzielt. In Zusammenarbeit mit Prof. Lukas M. Eng von der Technischen Universität Dresden demonstrierten die Forscher die Kompression von Terahertz (THz)-Licht auf nanoskalige Dimensionen.
Die Ergebnisse, die am 15. September 2025 in der Fachzeitschrift ‚Nature Materials‘ veröffentlicht wurden, zeigen, wie Hafniumdichalkogenide (HfX2, wobei X = S oder Se) eine signifikante Kompression von THz-Licht ermöglichen. Dabei wurden Wellenlängen von über 50 Mikrometern auf weniger als 250 Nanometer reduziert, was mit minimalem Energieverlust einherging. Diese Kompression ist mit der Einschränkung von Ozeanwellen in einer Teetasse vergleichbar, was die Dimensionen und Effizienz dieser Technologie verdeutlicht.
Im Fokus der Forschung
Die Herausforderung der Integration von THz-Technologie in kompakte Geräte beruht auf der langen Wellenlänge des THz-Lichts. Während traditionelle Materialien Schwierigkeiten hatten, Licht im THz-Bereich effektiv zu komprimieren, bietet das neuartige Schichtmaterial aus Hafniumdichalkogeniden eine vielversprechende Lösung. Die Forschung zielt darauf ab, die Interaktion von Licht und Materie auf Nano- bis Atomebene zu untersuchen, was weitreichende Implikationen für die nichtlineare Optik hat.
Das Forschungsteam nutzte das Optische Nahfeldmikroskop, das in Kooperation zwischen der TU Dresden und dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf entwickelt wurde. Eine der Hauptabsichten ist es, ultra-kompakte THz-Resonatoren und Wellenleiter zu entwickeln, die durch die Integration in van-der-Waals-Heterostrukturen möglicherweise die Forschung mit 2D-Materialien revolutionieren könnten.
Anwendungen und technische Entwicklungen
Die möglichen Anwendungen dieser Technologie sind vielversprechend und reichen von Verbesserungen bei optoelektronischen Geräten wie Infrarotstrahlern bis hin zu Terahertz-Optiken für physische Sicherheit und Umweltsensorik. Insbesondere Die Auswahl passender Terahertz-Systeme hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, denn der zuvor oft zitierte „terahertz gap“ existiert nicht mehr.
In der industriellen Nutzung sind Systeme wie Terahertz TDS (Time Domain Spectroscopy) und FMCW-Radare (Frequency Modulated Continuous Wave) grundlegend. Der Einsatz von Kurzpulslasern ermöglicht präzise Zeitmessungen und spektroskopische Untersuchungen. Im Vergleich dazu sind FMCW-Radare kleiner, kostengünstiger und bieten höhere Messraten, obwohl ihre Tiefenauflösung geringer ist.
Zusätzliche Techniken wie Cross-Correlation Spectroscopy und optisches FMCW werden zurzeit getestet und könnten bald industriereif werden. Die Auswahl der geeignetsten Methode erfolgt stets im Kontext der spezifischen Anwendungen, was die Flexibilität der THz-Technologie unterstreicht. Die neuen Forschungsergebnisse könnten darüber hinaus Hochdurchsatz-Materialscreening ermöglichen und somit die Entwicklung effizienterer THz-Technologien vorantreiben.
