Wie Terahertz-Wellen funktionieren – und warum sie wichtig sind

Die fehlende Mitte des elektromagnetischen Spektrums

Zwischen den vertrauten Welten von Mikrowellenherden und Infrarot-Fernbedienungen liegt ein Bereich des elektromagnetischen Spektrums, den Wissenschaftler lange Zeit nur schwer nutzen konnten. Terahertz-Strahlung (THz) – elektromagnetische Wellen, die zwischen 0,1 und 10 Billionen Mal pro Sekunde schwingen – nimmt dieses Mittelfeld ein. Jahrzehntelang trug die Schwierigkeit, diese Wellen zu erzeugen und zu detektieren, dem Frequenzband den wenig schmeichelhaften Spitznamen Terahertz-Lücke ein.

Diese Lücke schließt sich nun rasant. Fortschritte in der Photonik, im Halbleiterdesign und in der Lasertechnik haben Terahertz-Wellen von einer Labor-Kuriosität zu einem praktischen Werkzeug mit Anwendungen in Medizin, Sicherheit, Fertigung und drahtlosen Netzwerken der nächsten Generation gemacht.

Was Terahertz-Wellen so besonders macht

Terahertz-Wellen haben Wellenlängen von etwa 30 Mikrometern bis 3 Millimetern – kürzer als Mikrowellen, aber länger als Infrarotlicht. Dies verleiht ihnen eine einzigartige Kombination von Eigenschaften. Wie Radiowellen können sie Gewebe, Kunststoffe, Papier und Keramik durchdringen. Wie Licht tragen sie genügend Energie, um hochauflösende Bilder zu erzeugen. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlen ist ihre Photonenenergie (0,4 bis 40 Millielektronenvolt) viel zu gering, um Atome zu ionisieren, was sie sicher für biologisches Gewebe macht.

Terahertz-Strahlung wird auch stark von Wasser absorbiert und interagiert auf besondere Weise mit vielen organischen Molekülen. Jede Substanz erzeugt einen charakteristischen Terahertz-„Fingerabdruck“, der es den Wellen ermöglicht, chemische Zusammensetzungen ohne physischen Kontakt zu identifizieren.

Sicherheit: Durch Kleidung sehen ohne Röntgenstrahlen

Die Sicherheitskontrolle an Flughäfen und im öffentlichen Nahverkehr gehörte zu den ersten realen Anwendungen. Da Terahertz-Wellen Stoffe durchdringen, aber von Metallen, Kunststoffen und Sprengstoffen reflektiert werden, können Scanner versteckte Waffen und Schmuggelware erkennen, ohne Menschen ionisierender Strahlung auszusetzen. Laut Nature sind Terahertz-Abstandserkennungssysteme bereits in Verkehrsknotenpunkten in 18 Ländern im Einsatz, darunter in der Londoner U-Bahn und der Los Angeles Metro.

Medizin: Bildgebung ohne Schaden

Im Gesundheitswesen zeigt die Terahertz-Bildgebung besonderes Potenzial für die Krebserkennung. Krebsgewebe absorbiert Terahertz-Wellen anders als gesundes Gewebe, da es einen höheren Wassergehalt und eine veränderte Zellstruktur aufweist. Forscher haben gezeigt, dass die Terahertz-Pulsbildgebung bösartiges von gutartigem Brustgewebe mit einer Genauigkeit von fast 88 % unterscheiden kann, wie Studien in Light: Science & Applications zeigen.

Die Technologie zeigt auch Potenzial für die Untersuchung von Verbrennungen, die Erkennung von Karies und die Führung von Chirurgen bei der Tumorentfernung – alles ohne das kumulative Strahlungsrisiko wiederholter Röntgenaufnahmen.

Fertigung und Qualitätskontrolle

Terahertz-Wellen können in Produkte hineinsehen, ohne sie zu öffnen oder zu beschädigen. Pharmaunternehmen verwenden die Terahertz-Spektroskopie, um Tablettenbeschichtungen zu überprüfen. Automobilhersteller prüfen die Lackdicke. Halbleiterfabriken überprüfen die Integrität der Chipverpackung. Da verschiedene Materialien unterschiedliche spektrale Signaturen erzeugen, kann ein einziger Terahertz-Scan gleichzeitig die strukturelle Integrität, die Schichtdicke und die chemische Zusammensetzung überprüfen.

Die 6G-Verbindung

Die vielleicht transformativste Anwendung liegt noch vor uns. Das Sub-Terahertz-Band (100–300 GHz) wird allgemein als Eckpfeiler von drahtlosen 6G-Netzwerken erwartet. Laut Ericsson bieten diese Frequenzen eine enorme Bandbreite, die drahtlose Geschwindigkeiten von mehr als einem Terabit pro Sekunde ermöglichen könnte – etwa 100-mal schneller als die besten 5G-Verbindungen.

Es bleiben Herausforderungen. Terahertz-Signale leiden unter starker atmosphärischer Absorption, was ihre Reichweite begrenzt. Um dies zu überwinden, sind dichte Netze von Relaisstationen, hochgerichtete Antennen und fortschrittliche Beamforming-Techniken erforderlich. Aber wie IEEE Spectrum festgestellt hat, hat sich die Sicht der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf die Terahertz-Kommunikation innerhalb von nur zwei Jahrzehnten von „Science-Fiction“ zu „technischer Herausforderung“ gewandelt.

Warum sich die Lücke endlich schließt

Die Terahertz-Lücke bestand, weil der Frequenzbereich ungeschickt zwischen zwei ausgereiften Technologie-Familien liegt. Traditionelle Elektronik wird langsamer, wenn die Frequenzen in Richtung Terahertz steigen; konventionelle optische Geräte verlieren an Effizienz, wenn sich die Wellenlängen in diese Richtung ausdehnen. Die Überbrückung dieser Lücke erforderte völlig neue Ansätze – Quantenkaskadenlaser, ultraschnelle photoelektrische Antennen und neuartige Halbleitermaterialien.

Da diese Werkzeuge nun ausgereift sind, bewegt sich die Terahertz-Technologie von Forschungslabors zu Flughäfen, Krankenhäusern, Fabriken und schließlich zu Smartphones. Die unsichtbaren Wellen, die die Wissenschaft einst kaum erkennen konnte, könnten bald so alltäglich sein wie Wi-Fi.