Ultraschnelle Terahertz-Technologie über elektronische Metageräte

Ultraschnelle Telekommunikation auf Terahertz-Frequenzen ist jetzt mithilfe „elektronischer Metageräte“ möglich, was möglicherweise den Weg für die nächste Generation schneller Geräte ebnet. Die Art und Weise, wie diese neuartigen Geräte elektrische Felder steuern, ähnelt der Art und Weise, wie Tarnmäntel Licht, Wärme und Schall manipulieren, so das Ergebnis einer neuen Studie.

Da die Elektronik gemäß dem Mooreschen Gesetz schrumpft, stehen sie bei der Erreichung praktischer Anwendungen vor zahlreichen Herausforderungen. Oft führen die Probleme dieser Geräte zu einer deutlich schlechteren Leistung, als man angesichts des Potenzials der Halbleitermaterialien, aus denen sie hergestellt sind, erwarten würde.

Beispielsweise können kleinere Geräte aufgrund extrem hoher elektrischer Felder nur wenige Volt halten, was die maximale Leistung, die sie liefern können, begrenzt. Darüber hinaus werden die maximalen Betriebsfrequenzen von Miniaturgeräten oft durch unvermeidbare hohe parasitäre Kapazitäten drastisch begrenzt. Darüber hinaus weisen hochmoderne Tunnelübergänge, die häufig in Transistoren und Dioden verwendet werden, einen hohen Kontaktwiderstand auf, d. h. einen elektrischen Widerstand an ihren Kontaktpunkten mit anderen Komponenten, was die Gesamtleistung von Geräten einschränkt.

Um diese Herausforderungen zu meistern, ließen sich die Forscher in der neuen Studie von den jüngsten außergewöhnlichen Fortschritten bei Metamaterialien inspirieren, die so konstruiert sind, dass sie Eigenschaften besitzen, die in der Natur normalerweise nicht zu finden sind, wie etwa die Fähigkeit, Licht auf unerwartete Weise zu biegen. Diese Arbeit hat zu Unsichtbarkeitsumhängen geführt, die Objekte vor Licht, Schall, Hitze und anderen Arten von Wellen verbergen können.

Optische Metamaterialien, die dazu dienen, Licht zu manipulieren, besitzen Strukturen mit sich wiederholenden Mustern in Maßstäben, die kleiner sind als die Wellenlängen des Lichts, die sie beeinflussen. In der neuen Studie entwickelten die Forscher Geräte, die ähnlich konstruiert sind, da sie über Strukturen verfügen, die kleiner sind als die wellenförmigen kollektiven elektromagnetischen Wechselwirkungen, zu deren Steuerung sie entwickelt wurden.

„Wir haben neuartige Geräte entwickelt, die Alternativen zu Transistoren und Dioden darstellen und viel höhere Geschwindigkeiten ermöglichen“, sagt Studienleiter Mohammad Samizadeh Nikoo, Elektroingenieur an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich. „Wir nennen dieses Konzept ‚elektronische Metageräte‘ und es kann viel mehr als ein normales Gerät.“

In einem herkömmlichen elektronischen Gerät findet man möglicherweise zwei rechteckige Anschlüsse, die durch eine rechteckige Lücke getrennt sind. In einem elektronischen Metagerät könnte man stattdessen ein Paar Anschlüsse sehen, die jeweils die Form eines Schlüssels haben, wobei die Zähne des einen Schlüssels in die Lücken des anderen passen und umgekehrt. Der Spalt zwischen diesen schlüsselförmigen Anschlüssen ist nicht gerade, sondern zickzackförmig. Die genaue Größe und andere Merkmale der Komponenten in einem elektronischen Metagerät helfen dabei, zu bestimmen, welche Frequenzen es manipuliert und welche Auswirkungen es hat.

Normale elektronische Geräte „basieren auf der Steuerung von Elektronen – es gibt ein Tor, das Elektronen entweder durchlässt oder zum Stoppen zwingt“, sagt Samizadeh Nikoo. Im Gegensatz dazu steuern elektronische Metageräte Mikrowellen-, Millimeterwellen-, Terahertz- und andere hochfrequente elektromagnetische Signale, „ohne ein einziges Elektron zu injizieren“, sagt er.

Die Wissenschaftler stellen fest, dass dieses Konzept im Allgemeinen auf jede Halbleiterplattform anwendbar ist, einschließlich herkömmlicher CMOS-Systeme, Diamant und neuerer 2D-Materialien. „Diese neue Technologie kann die Zukunft der Ultrahochgeschwindigkeitskommunikation verändern, da sie mit bestehenden Prozessen in der Halbleiterfertigung kompatibel ist“, sagt Samizadeh Nikoo.

Diese neuen Geräte könnten dazu beitragen, eine große Herausforderung zu meistern, vor der die Elektronik derzeit steht, nämlich die Geschwindigkeit. Derzeitige drahtlose Kommunikation kann Signale mit einer Geschwindigkeit von mehreren zehn Gigahertz nutzen; Die zukünftige 6G-Kommunikation benötigt Signale mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1 Terahertz. „Herkömmliche elektronische Geräte wie Transistoren können jedoch nicht mit so hohen Geschwindigkeiten arbeiten, die oft als Terahertz-Lücke bezeichnet werden“, sagt Samizadeh Nikoo. „Das ist ein großer Engpass bei der Entwicklung zukünftiger Technologien.“

In Experimenten stellten die Forscher Terahertz-Schalter auf einer Plattform aus Indiumaluminiumnitrid und Galliumnitrid her. „Wir haben eine Datenübertragung mit bis zu 100 Gigabit pro Sekunde bei Terahertz-Frequenzen demonstriert, was zehnmal höher ist als das, was wir heute mit 5G haben“, sagt Samizadeh Nikoo. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass elektronische Metageräte das Potenzial haben, noch schneller zu arbeiten und drahtlose Verbindungen mit Datenraten von Terabit pro Sekunde zu ermöglichen, was einen großen Einfluss auf die Art und Weise haben kann, wie wir Daten kommunizieren und verarbeiten.“

Herkömmliche Terahertz-Schalter gehen kaputt, wenn sie mit mehr als ein paar Volt belastet werden, „was bedeutet, dass sie sehr empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung sind und leicht kaputtgehen“, sagt Samizadeh Nikoo. „Elektronische Metageräte sind sehr robust und weisen Durchbruchspannungen im Bereich von einigen zehn Volt auf.“

Die neue Studie ergab, dass elektronische Metageräte auch in vielerlei Hinsicht klassische Halbleitergeräte übertreffen könnten. Sie weisen beispielsweise einen viel geringeren Kontaktwiderstand auf als Tunnelübergänge, was darauf hindeutet, dass elektronische Metageräte nicht nur als Terahertz-Schalter, sondern auch als Terahertz-Verstärker Verwendung finden könnten, sagen die Forscher.

„Wir können uns eine neue Generation von Halbleiterelektronik mit Anwendungen in Ultrahochgeschwindigkeitssystemen wie 6G und darüber hinaus vorstellen“, sagt Samizadeh Nikoo.

Die Wissenschaftler erläuterten ihre Ergebnisse online am 15. Februar in der Zeitschrift Nature.