Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass leistungsstarkes, langwelliges Licht erfolgreich auf die Nanoskala komprimiert werden kann. Diese Entdeckung könnte zu bedeutenden Fortschritten in der Terahertz-Optik und bei optoelektronischen Geräten führen. Ein internationales Forschungsprojekt unter der Leitung von Josh Caldwell, Professor für Maschinenbau an der Vanderbilt University, und Alexander Paarmann vom Fritz-Haber-Institut demonstrierte erstmals erfolgreich die Kompression von Terahertz (THz)-Licht auf nanoskalige Dimensionen. Dafür verwendeten sie einen neuartigen Typ von Schichtmaterial. Dies könnte eine Verbesserung von optoelektronischen Geräten wie Infrarotstrahlern, die in Fernbedienungen und Nachtsichtgeräten genutzt werden, sowie Terahertz-Optiken, die für die physische Sicherheit und Umweltsensorik eingesetzt werden, ermöglichen.
Obwohl die Terahertz-Technologie (THz) eine schnelle Datenverarbeitung verspricht, war ihre Integration in kompakte Geräte bislang eine Herausforderung. Grund dafür ist ihre sehr lange Wellenlänge. Herkömmliche Materialien konnten THz-Licht nicht effektiv komprimieren, was die Miniaturisierung stark behinderte.
Lichtwellen in der Teetasse: Ein neuer Ansatz für die Terahertz-Technologie
Um dieses Problem zu lösen, nutzte ein Forschungsteam Hafniumdichalkogenide, ein Schichtmaterial aus Hafnium und Chalkogen-Elementen wie Schwefel oder Selen. Mithilfe von Phonon-Polaritonen – Quasiteilchen, die durch die Kopplung von Licht und Gitterschwingungen in einem Kristall entstehen – gelang es, das THz-Licht extrem zu komprimieren. Die THz-Wellenlängen, die ursprünglich über 50 Mikrometer lang waren, wurden auf weniger als 250 Nanometer reduziert. Dieser Prozess fand mit minimalem Energieverlust statt und ebnet den Weg für energieeffizientere THz-Geräte. Kooperationspartner Artem Mishchenko verglich den Fortschritt treffend mit dem Einsperren von Ozeanwellen in einer Teetasse, wie Caldwell bemerkte. Die über 200-fache Kompression der Lichtwellen verdeutlicht die enorme Leistung der neuen Methode.
Die Teams konzentrierten sich in ihrer Zusammenarbeit darauf zu verstehen, wie Licht und Materie auf der Nano- bis Atomebene interagieren. Sie untersuchten ihren Einfluss auf die nichtlineare Optik und wie sich solche Veränderungen von Volumenmaterialien unterscheiden. Dies beinhaltet die subdiffraktionale Fokussierung von Licht mithilfe von Polaritonen im optischen Spektralbereich (hauptsächlich im Infrarot), das Design von optischen Komponenten im Nanomaßstab sowie die Identifizierung und Charakterisierung neuartiger optischer, elektro-optischer und elektronischer Materialien.
„Dies begann als Sommerforschungsprojekt für einen Schüler, entwickelte sich aber schnell zu einer aufregenden Beobachtung eines beispiellosen Niveaus der optischen Kompression“, sagte Caldwell.
Die Studie ist das Ergebnis einer langjährigen Kooperation zwischen dem Fritz-Haber-Institut (FHI) in Berlin, der Vanderbilt University und der Technischen Universität Dresden. Für die Forschung wurde ein spezielles Optisches Nahfeldmikroskop verwendet, das von der Eng-Gruppe an der Freie-Elektronen-Laser-Nutzeranlage FELBE am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) installiert wurde. Dieses Mikroskop wurde in den vergangenen 15 Jahren in enger Zusammenarbeit zwischen der TU Dresden und dem HZDR als Nutzerlabor entwickelt und gewartet. „Die Erforschung der ultrahohen THz-Lichtkompression durch Phonon-Polaritonen, z.B. in Hafniumdichalkogeniden, erfordert die extremen nanoskaligen Bildgebungsfähigkeiten unseres Nahfeldmikroskops am HZDR-Freie-Elektronen-Laser“, sagte Lukas Eng von der TU Dresden.
Terahertz-Technologie auf dem Vormarsch: Neue Materialien für die Zukunft
Die Forschungsergebnisse könnten zur Entwicklung von ultrakompakten Terahertz (THz)-Resonatoren und Wellenleitern führen, die für Anwendungen in der Umweltsensorik und Sicherheitsbildgebung entscheidend sind. Die Integration dieser Materialien in van-der-Waals-Heterostrukturen – also Strukturen, die durch das Stapeln von Schichten zweidimensionaler Materialien gebildet werden – könnte die Möglichkeiten der 2D-Materialforschung erweitern und neue Wege für die nanoskalige optoelektronische Integration eröffnen.
Laut den Forschenden stellt die Studie die Hafniumdichalkogenide nicht nur als vielversprechende Plattform für THz-Anwendungen heraus, sondern bereitet auch den Boden für die Erforschung neuer physikalischer Phänomene durch extrem starke Licht-Materie-Kopplung. Die Ergebnisse deuten auf eine Zukunft hin, in der das Hochdurchsatz-Materialscreening noch effektivere Materialien für die THz-Technologie identifizieren und so Innovationen in diesem wichtigen Bereich vorantreiben könnte.
„Unsere Arbeit mit Hafniumdichalkogeniden zeigt, wie wir die Grenzen der THz-Technologie verschieben können, was möglicherweise die Art und Weise, wie wir optoelektronische Integration angehen, transformiert“, sagte Paarmann vom Fritz-Haber-Institut.
Quelle
Fritz-Haber-Institut (09/2025)
Publikation
Ultraconfined terahertz phonon polaritons in hafnium dichalcogenides
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02345-0