Pasadena/Berlin – Forschern am California Institute of Technology (Caltech) http://www.caltech.edu haben kompakte CMOS-Chips entwickelt, die sich Terahertz-Strahlung (THz) zunutze machen, um diverse Materialien quasi per Röntgenblick zu durchschauen. „Diese Chips werden eine neue Generation extrem vielseitiger Sensoren ermöglichen“, so Elektrotechnik-Professor Ali Hajimiri. In Tests konnte das Scansystem unter anderem in einem Stofftier versteckte Waffen erspähen. In Zukunft könnte es laut Caltech dank der Chips auch möglich werden, dass Sicherheitskräfte einfach mit dem Smartphone Bomben in geschlossenen Containern entdecken.
„CMOS-basierte THz-Technologien sind ein vielversprechender Ansatz für die Realisierung von kompakten, kostengünstigen Geräten“, meint Thorsten Göbel, Forscher am Heinrich-Hertz-Institut der Fraunhofer-Gesellschaft http://hhi.fraunhofer.de , gegenüber pressetext. Solche Chips böten sich insbesondere für bildgebende THz-Systeme an. „Wann der industrielle Durchbruch kommen wird, ist aber noch nicht festzumachen“, so der Experte. Speziell die Bildqualität bei praxisnahen, kurzen Messzeiten sei ein Bereich, wo es noch Verbesserungsbedarf gibt.
Bekanntes Prinzip, extra kompakt
Der Ansatz, Gegenstände mittels Terahertz-Strahlung zu durchleuchten, ist längst bekannt. Das Prinzip kommt unter anderem bei den umstrittenen Nacktscannern auf Flughäfen zum Einsatz und Experten sehen großes Potenzial im Bereich der Materialprüfsysteme. Allerdings sind bisherige Lösungen oft sehr sperrig und keineswegs portabel. Genau das soll sich mit der Caltech-Entwicklung ändern, denn sie vereint ein komplettes THz-Scansystem auf einem CMOS-Chip, der kleiner ist als eine Cent-Münze. Um das zu erreichen, musste das Team nach eigenen Angaben einige Hürden meistern.
So können herkömmliche Transistoren in CMOS-Chips keine Signale verstärken, die über ihrer sogenannten Cut-off-Frequenz liegen. Das konnte das Team lösen, indem es mehrere Transistoren optimiert zusammenarbeiten lässt. „Wir bewegen uns 40 bis 50 Prozent über den Cut-off-Frequenzen, aber dank unserer neuartigen Methoden können wir viel Leistung erzeugen und detektieren“, so der Elektrotechnik-Postdoc Kaushik Sengupta. Ein weiterer Trick des Teams ist, dass praktisch der komplette Silizium-Chip als Antenne dient, da die Terahertz-Signale sonst gar nicht übertragen werden könnten. Zudem kann das Signal präzise ausgerichtet werden.
Viel mehr als nur Waffensuche
Mit dem Caltech-Scanner ist es beispielsweise möglich, eine in einem Stück Plastik versteckte Rasierklinge zu entdecken. „Wir reden hier nicht nur über Potenzial, wir haben gezeigt, dass es funktioniert“, betont Hajimiri. Ein weiteres praxisorientiertes Beispiel ist, dass die kompakten Chips ein Messer und eine Patrone in einem Stofftier nachweisen konnten – was für schnelle Sicherheitskontrollen interessant wäre.
Die potenziellen Einsatzgebiete der Technologie sind aber laut Caltech deutlich breiter gestreut. So ist es möglich, den Fettanteil von Hühnerfleisch zu bestimmen. Grundsätzlich kommt dem Ansatz zugute, dass Terahertz-Strahlung im Gegensatz zu Röntgenstrahlung unschädlich ist. Daher stehen für die Zukunft unter anderem berührungsloses Gaming und Anwendungen in der Medizin zur Diskussion, beispielsweise für nichtinvasive Krebsdiagnostik.
pressetext.redaktionAnsprechpartner: Thomas Pichler
Waffen im Bauch: Terahertz-Scanner sieht es (Foto: K. Sengupta/Caltech)