Die Empa-Wissenschaftler Elena Mavrona und Erwin Hack erfoschen mit ihrem Spin-off «Lepto» die «Terahertz-Lücke». Sie stellen Filter und Geräte für Terahertz-Strahlung her und ermöglichen so eine Vielzahl von Anwendungen.
Über ein ringförmiges Kunststoffgerüst wird eine hauchdünne Goldfolie gespannt. Durch die metallische Mikrostruktur der fast transparenten Folienoberfläche entsteht je nach Blickwinkel ein Farbenspiel in Gold, Rot oder Grün. Grund dafür ist die hochpräzise Mikrostruktur der Gold-Oberfläche. Diese Folie mit einer Dicke von einem Tausendstelmillimeter ist ein High-Tech-Filter für Terahertz-Strahlung und das erste Produkt des Empa-Spin-offs Lepto GmbH.
«Mit Wellenlängen zwischen 0.3 und 3 Millimetern befindet sich die Terahertz-Strahlung an der Grenze zwischen Optik und Elektronik», erklärt Elena Mavrona, CEO von Lepto. Im elektromagnetischen Spektrum liegt der Terahertz-Bereich zwischen den kurzwelligen Licht- und Infrarotwellen und den längeren Mikro- oder Gigahertz-Wellen, die wir für den Grossteil unserer drahtlosen Kommunikationstechnologien verwenden, von Bluetooth bis WLAN.
Die Terahertz-Filter von Lepto bestehen aus einer dünnen Polymerfolie mit einer mikrostrukturierten Goldoberfläche, die auf einem 3D-gedruckten Rahmen befestigt ist. Dadurch sind die Komponenten besonders leicht und individuell anpassbar. Bild: Empa
Wie die Tera-Lücke geschlossen wird
Der Terahertz-Bereich wurde in der Forschung bisher vorwiegend aus technologischen Gründen vernachlässigt. Erst seit etwa dreissig Jahren wird versucht, diese Tera-Lücke zu schliessen. Lepto entwickelt Produkte für Anwendung in der Medizin, Kommunikation und Materialforschung, die das Ausstrahlen und Detektieren von Terahertz-Strahlen ermöglichen.
Die Firma entstand eher zufällig, nachdem es in einem Forschungsprojekt gelang, eine besonders dünne Struktur für hochwirksame Terahertz-Filter zu entwickeln. Es entstand Interesse von Forschungsinstitutionen an den Filtern und daraus der Entschluss, eine Firma zu gründen. Zu den Filtern sollen weitere Komponenten für Terahertz-Strahlung kommen wie z.B. Polarisatoren. Im Vergleich zur Konkurrenz produziert Lepto besonders dünne Filter, die besonders effektiv, sehr leicht und platzsparend sind.
Lepto-CEO Elena Mavrona hält einen Terahertz-Filter hoch. Bild: Empa
Anwendungen für Satelliten bis zu Spitälern
Ein wichtiger Markt ist die Raumfahrt, wo das Gewicht wichtig ist und Terahertz-Strahlen mehrere Anwendungsbereiche finden. «Einerseits ist Terahertz-Spektroskopie eine ausgezeichnete Methode, um viele Phänomene in der Astro- und Geophysik zu erforschen», führt Mavrona aus. «Andererseits eignet sich Terahertz aber auch hervorragend für die Kommunikation zwischen Satelliten, sowie zwischen einem Satelliten und der Erde.» Die höhere Frequenz ermöglicht eine schnellere Datenübertragung. Da die Strahlung kürzere Wellenlängen hat als ihr «grosser Bruder» Gigahertz reicht sie nicht ganz so weit – ein Vorteil, der Terahertz-basierte Kommunikationstechnologien sicherer macht.
High-Tech-Filter für Terahertz-Strahlung. Bild: Empa
Terahertz für Mobilfunk und Medizin
In der Atmosphäre wird die Strahlung schneller gestreut als im Weltraum und sie reicht nur über kurze Distanzen. Sie gilt aber als eine der Schlüsseltechnologien für den 6G Mobilfunk-Standard, der noch schneller und energieeffizienter werden soll als 5G.
In der Medizin besteht viel Potenzial für Terahertz-Wellen, da sie oberflächliche Gewebeschichten durchdringen können. Ähnlich wie elektromagnetische Wellen ist Terahertz nicht-ionisierend und somit weniger schädlich als Röntgenstrahlung. Es wird vor allem für Anwendungen auf der Haut entwickelt, etwa zur Krebsdiagnose oder zur Untersuchung von oberflächlichen Blutgefässen oder Wunden. Weitere Anwendungen gibt es im Bereich der Sicherheit, etwa bei den Bodyscans am Flughafen.
Zurzeit kommt die Nachfrage nach den Terahertz-Filtern und -Polarisatoren von Lepto hauptsächlich aus der Forschung. Dort benötigt man sie nebst den Anwendungen in der Spektroskopie zur Untersuchung von Materialien auch in der Forschung für Terahertz-basierte Quantencomputern. «Unsere Filter sind sehr dünn, und die Rahmen dafür fertigen wir nach Mass mittels 3D-Druck», erklärt Mavrona. Das erlaubt dem jungen Unternehmen, komplexe aber zugleich kompakte Filtersysteme genau nach Kundenwunsch anzufertigen.
