Winzige Antenne ermöglicht tragbare biomedizinische, lebensmittelanalytische und andere Geräte, die durch integrierte Nano- und Terahertztechnologien betrieben werden

11.02.2022 - Russische Föderation

Ein Skoltech-Professor und seine Kollegen aus Deutschland haben eine sehr kleine und flache Antenne für den Empfang und die Übertragung von Terahertz-Signalen entwickelt. THz-Wellen sind ein Band elektromagnetischer Strahlung, das vielversprechende Möglichkeiten für so unterschiedliche Anwendungen wie Sicherheitskontrollen und drahtlose Kommunikation, Krebsvorsorge und Zahnmedizin sowie die Erkennung von Lebensmittelverderb und Defekten in hergestellten Geräten bietet. Das Problem bei dieser Technologie ist, dass THz-Geräte erst miniaturisiert werden müssen, bevor sie in größerem Umfang eingesetzt werden können. Die kürzlich in Scientific Reports veröffentlichte Studie leistet einen wichtigen Beitrag zu diesen Bemühungen.

Shihab Al-Daffaie et al./Scientific Reports

Dank der in der Studie entwickelten Technologie können nun zwei riesige Geräte auf die Spitze eines Stifts montiert werden.

"Heute findet man sperrige THz-Geräte in Labor- oder Industrieumgebungen, in einigen Flughäfen, Krankenhäusern und Teleskopen", sagt der Erstautor der Studie, Shihab Al-Daffaie, ein außerordentlicher Professor der Praxis bei Skoltech. "Um neue aufregende Anwendungen zu ermöglichen, müssen wir die THz-Technologien aus dem Labor herausholen und in die Hände und Wohnungen der Menschen bringen. Und das bedeutet, sie radikal zu verkleinern."

Genau daran arbeiten Al-Daffaie und seine Kollegen: Sie wollen THz-Geräte und -Systeme in die Hände der Menschen bringen.

"Fast 90 % der THz-Geräte verwenden sperrige Siliziumlinsen mit einem Durchmesser von etwa 10 Millimetern und einer Dicke von 6 Millimetern", so Al-Daffaie weiter. "Damit kann man kein Gerät in der Größe einer Fingerspitze herstellen. Also haben wir einen Weg gefunden, es loszuwerden."

Die in der neuen Studie vorgestellte Antenne ist nur 0,3 Millimeter dick - 20 Mal dünner als die sperrige Siliziumlinse, mit der frühere Entwürfe zu kämpfen hatten. "Aber das ist mehr als nur eine Verkleinerung", erklärt Al-Daffaie. "Wir können unser THz-Gerät direkt auf die flache Antenne setzen und es nahtlos in das System integrieren. Früher musste man das Gerät über der Linse anbringen, sozusagen ein Gerät in einem Gerät - aber jetzt haben wir es auf derselben Plattform."

Ohne Leistungseinbußen wird durch diese Integration die vom Gerät benötigte optische Leistung drastisch reduziert, so dass keine riesigen Laser mehr erforderlich sind und die Sendeantenne sehr nahe an der Empfangsantenne angebracht werden kann. "Man kann beide auf einer Bleistiftspitze unterbringen", fährt Al-Daffaie fort und betont, dass man mit der bisherigen Technologie zwei unabhängige Geräte mit einem Durchmesser von jeweils einem halben Meter hätte (Abb. 1).

"Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie ein solches bleistiftgroßes Gerät eingesetzt werden könnte, denken Sie an die Analyse von Biozellen, Flüssigkeiten oder Gasen", sagt Al-Daffaie. "Man könnte damit zum Beispiel die Milchqualität testen. Man legt einen Tropfen zwischen die beiden Antennen. Der Sender sendet THz-Wellen an den Empfänger, der deren Modulation durch die zu untersuchende Substanz - in diesem Fall Milch - aufnimmt und daraus Rückschlüsse auf deren Zusammensetzung zieht. Aber nicht vergessen: THz-Strahlung eignet sich auch für die drahtlose Kommunikation. Das Schöne an diesem Aufbau ist, dass dieselbe Antenne die Analyseergebnisse auch an ein Smartphone oder einen anderen Ort weiterleiten kann."

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