Medizin und Kommunikation Der photoelektrische Effekt erlaubt präzise Detektoren

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Forscher haben einen neuen physikalischen Effekt entdeckt, mit dem sich elektromagnetische Wellen im Terahertz-Band erkennen lassen. Mit den Erkenntnissen lassen sich kleine und empfindliche Detektoren bauen. Sie helfen in der medizinischen Diagnostik oder bei kontaktlosen Sicherheits-Checks.

Elektromagnetische Wellen im Terahertz-Band lasen sich mit dem Photoelektrischen Effekt erkennen. Da Terahertz-Wellen schneller schwingen, lassen sich in derselben Zeit mehr Informationen übertragen.
Elektromagnetische Wellen im Terahertz-Band lasen sich mit dem Photoelektrischen Effekt erkennen. Da Terahertz-Wellen schneller schwingen, lassen sich in derselben Zeit mehr Informationen übertragen.
(Bild: (c) bluedesign - stock.adobe.com)

Wenn Röntgen- oder UV-Strahlen auf ein metallisches Material fallen, schlagen sie Elektronen aus dem Material heraus. Mit diesem „photoelektrischen Effekt“ lassen sich Detektoren bauen, um elektromagnetische Wellen nachzuweisen. In etwas abgewandelter Form nutzt man den Effekt in den Aufnahme-Chips von Digitalkameras oder in Solarzellen. Die Chips reagieren auf sichtbares und infrarotes Licht.

Die Energie ist allerdings deutlich geringer als die von UV-Strahlung. Sie reicht daher nicht aus, um Elektronen freizusetzen. Stattdessen kann die Strahlung elektrische Eigenschaften von Halbleiterstrukturen verändern, die normalerweise schlechte Leiter sind. Unter Lichteinstrahlung werden sie dagegen leitend oder können sogar Spannungen erzeugen.

Photoeffekt bei Terahertz-Frequenzen

Terahertz-Wellen sind noch ein Stück energieärmer als sichtbares oder infrarotes Licht. Selbst die Elektronen in Halbleitern lassen sich mit ihnen in der Regel nicht ausreichend anregen. Daher gibt es wenige Detektortypen, die Terahertz-Wellen effektiv nachweisen können. Deshalb forschen Wissenschaftler weiter und suchen nach alternativen physikalischen Prinzipien zum Nachweis von Terahertz-Strahlung.

„Vor Kurzem haben wir zusammen mit Kollegen aus Großbritannien einen neuen Effekt entdeckt, der die Konstruktion hochempfindlicher Detektoren erlaubt“, erklärt Dr. Sergey Mikhailov vom Institut für Physik der Universität Augsburg. „Er basiert auf Halbleiter-Materialien mit einem sogenannten zweidimensionalen Elektronengas – einer dünnen leitenden Schicht, die sich unter der Halbleiter-Oberfläche ausbildet.

Unter bestimmten Bedingungen lässt sich mit einer solchen Struktur eine Art von Photoeffekt sogar bei Terahertz-Frequenzen beobachten. Wenn die Halbleiterstruktur durch elektromagnetische Wellen beleuchtet wird, wird ein Strom in dem zweidimensionalen Elektronengas in der Richtung parallel zur Oberfläche des Halbleiters erzeugt.“

Detektoren für gesamten Terahertz-Bereich

In der aktuellen Arbeit haben die Forscher eine Theorie des planaren photoelektrischen Effekts entwickelt, die den Mechanismus genauer erklärt. Aus ihren Ergebnissen lassen sich verschiedene Voraussagen ableiten. So sollten sich auf der Basis des neuen Effekts Detektoren konstruieren lassen, die für den gesamten Terahertz-Bereich zwischen 0,1 und 10 Terahertz und Frequenzen mit Wellenlängen zwischen 3 und 0,03 mm Millimeter empfindlich sind. „Das ist ein Bereich, für den jeder neue Detektionsmechanismus von großem Wert ist.“, sagt Mikhailov. Theoretisch sollten sich zudem Detektoren konstruieren lassen, die noch auf extrem kleine Strahlungsintensitäten ansprechen.

Der neue Effekt könnte in mehreren Anwendungsgebieten eingesetzt werden. So ließen sich mit Terahertz-Strahlen Hautkrebszellen auf einfache Weise erkennen. In Sicherheitsschleusen ließen sich mit ihnen kleinste Mengen von Drogen oder explosivem Material aufspüren. Zudem schwingen Terahertz-Wellen schneller hin und her als die elektromagnetischen Strahlen, die momentan im Mobilfunk eingesetzt werden. Aus diesem Grund lassen sich mit ihnen in derselben Zeit deutlich mehr Informationen übertragen. Die neuen Detektoren könnten also einen Geschwindigkeitsschub für das mobile Internet ermöglichen.

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