So sieht ein elektromagnetischer Durchbruch aus

Ja, dies ist ein Artikel über eine spezielle Art elektromagnetischer Wellen – aber keine Sorge, es wird keine Physik-Lehrstunde. Wir sind einfach begeistert von dieser unglaublichen neuen Technologie, die von unseren Wissenschaftler:innen in Japan entwickelt wurde: Die Erzeugung und Übertragung von Terahertz-Wellen über einen winzigen Halbleiterchip. Gestatten sie uns also etwas Technik-Begeisterung. Nur ein wenig.

Für alle, die sich noch nie mit diesem Thema beschäftigt haben, beginnen wir besser ganz am Anfang. Eine elektromagnetische Welle ist ein Energieträger, der bei seiner Ausbreitung durch den Raum keine physikalischen Hilfsmittel (wie Luft oder Wasser) benötigt. Um die Sache ein klein wenig komplizierter zu machen, gibt es jedoch verschiedene Arten von Wellen, die sich auf einem Spektrum befinden. Jede Sorte hat unterschiedliche Eigenschaften und eignet sich daher für unterschiedliche Zwecke.

An einem Ende dieses Spektrums gibt zum Beispiel Hochenergiewellen, wie z.B. Röntgenstrahlen. Diese Wellen durchdringen den Körper mit hoher Geschwindigkeit und erzeugen ein Bild von seinem Inneren. Am entgegengesetzten Ende befinden sich die Wellen mit niedriger Energie. Das sind z.B. die Signale für den Fernseh- oder den UKW-Radio-Empfang, bei denen die Wellen die Sendungen übertragen. Hierbei ist es wichtig zu wissen, dass diese Skala Wellen umfasst, die für uns Menschen vollkommen unbedenklich sind, und Wellen, die aufgrund ihres Strahlungsniveaus ein Risiko für uns darstellen.

Zwischen Infrarot (TV-Fernbedienung oder Bewegungsmelder) und Mikrowellen (selbsterklärend!) liegen die Terahertz-Wellen. Diese Position mag zwar recht unscheinbar sein, ist aber in Wirklichkeit der „Sweet Spot“ des elektromagnetischen Spektrums. Mikrowellen durchdringen Materialien und Infrarotwellen übertragen Informationen – Terahertz-Wellen vereinen diese beiden Eigenschaften. Das macht sie ideal für Bildgebungs- und Kommunikationsaufgaben, die keine physische Berührung erfordern (z.B. die Untersuchung wertvoller Artefakte oder die drahtlose Hochgeschwindigkeitsübertragung mit 6G). Aber jetzt kommt der coole Teil: Wenn diese Wellen auf eine Person oder ein Objekt gerichtet sind und die reflektierten oder durchdrungenen Wellen von einer Kamera aufgefangen werden, können sie auch Bilder erzeugen.

Und da sie Materialien durchdringen oder von ihnen absorbiert werden können (ohne Risiko für uns), haben sie das Potenzial für den Einsatz in den unterschiedlichsten nützlichen und wichtigen Gebieten. Man denke dabei z.B. an Sicherheitskontrollen in Stadien und auf Festivals oder an Qualitätskontrollen für alles, von Autos bis zu Medikamenten. Warum? Wenn Terahertz-Wellen die Kleidung durchdringen können, ohne den menschlichen Körper einer schädlichen Strahlung auszusetzen, können sie auch gefahrlos in Körperscannern eingesetzt werden. Und da verschiedene Materialien die Wellen auf unterschiedliche Weise absorbieren oder reflektieren, können sie auch zur Analyse und Identifizierung dieser Materialien und Gegenstände verwendet werden.

In Wissenschaftskreisen ist das natürlich alles bekannt. Allgemein anerkannt ist aber auch, dass der Umgang mit Terahertz-Wellen nicht so einfach ist. Man muss ziemlich nachhelfen, um sie nutzbar zu machen. Im einzelnen bedeutet das: Man braucht Geräte, um sie zu erzeugen, einen Weg, um sie zu verstärken, und Antennen, um sie zu lenken und zu übertragen. Damit die Welt von den Vorteilen der Terahertz-Wellen profitieren kann, bestand die große Herausforderung darin, ein kleines und leistungsfähiges Gerät zu entwickeln, das all diese Aufgaben auf einmal erfüllt.

Das war eine Herausforderung. Eine große Herausforderung. Aber wenn es eine Sache gibt, wofür unsere Wissenschaftler:innen im Bereich Forschung und Entwicklung leben, dann ist es eine Herausforderung. Sie konzentrierten all ihre Aufmerksamkeit auf eine Komponente, die sie kurz vor den Durchbruch brachte. Es handelte sich dabei um eine Resonanz-Tunneldiode (RTD), die – einfach ausgedrückt – den Fluss von elektrischen Strömen steuert. Die Idee, einen kleinen Halbleiterchip zu entwickeln, der bei Raumtemperatur funktioniert, war vielversprechend. Allerdings gab es einige Probleme mit der Leistungsstärke und dem Wirkungsgrad.

In unserer Forschungs- und Entwicklungsabteilung entwickeln wir Tausende von neuen Technologien. Darum haben wir das Problem natürlich irgendwann gelöst – einen RTD-Oszillator (zur Erzeugung der Wellen), eine Terahertz-Antenne (zur Steuerung ihrer Richtung) und Halbleiterbauteile (zur Aufnahme all dieser „Zutaten“, damit sie zusammenwirken können). Unsere Wissenschaftler:innen vermuteten, dass sie die Leistung erhöhen können, wenn sie viele Antennen zusammen verwenden. Sie hatten Recht. Indem sie erstaunliche 36 winzige Antennen auf einen 8 x 10 mm großen Halbleiterchip packten, gelang ihnen dieser unglaubliche Durchbruch: ein winziger Chip, der starke Terahertz-Wellen erzeugen kann. Das hat zwanzig Jahre gedauert, aber das Durchhaltevermögen hat sich wirklich gelohnt.

Wie ging es weiter? Man stelle sich ein Team von unglaublichen Wissenschaftler:innen vor, die für das innovativste Bildgebungsunternehmen der Welt arbeiten. Diese entwickeln zusammen einen neuen, winzigen und wunderbar leistungsstarken Chip …

Man muss kein Genie sein, um darauf zu kommen, dass sie den Prototyp einer Terahertz-Kamera erfunden haben. Damit fängt man Terahertz-Wellen mit Hilfe von Linsen und Sensoren ein. Das System hat bereits demonstriert, wie die „Terahertz-Bildgebung“ Objekte erkennen kann, die in der Kleidung von Menschen verborgen sind – aus mehreren Metern Entfernung. Sie haben es sogar eingesetzt, um den Unterschied zwischen verschiedenen Flüssigkeiten zu erkennen (was auf Flughäfen eine große Rolle spielen könnte, aber auch in der Industrie große Auswirkungen hätte). Und ihr Potenzial für eine 6G-Welt hat allein schon großes Interesse geweckt.

Vielleicht ist es nun etwas verständlicher, dass wir so begeistert sind? Für unsere Genies aus der Forschung und Entwicklung ist das nämlich erst der Anfang.

Allen, die sich eingehender mit dieser erstaunlichen Technologie befassen möchten, empfehlen wir einen Besuch der Canon Global Technology Website. Dort gibt es ausführliche Informationen zu unserer neuen Halbleiter-Terahertz-Quelle.