Untersuchung der elektromagnetischen Eigenschaften von mittels multidirektionalen magnetischen Feldern abstimmbaren Meta-Oberflächen im Terahertz-Bereich

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Mescheder
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 525135725

Primäres wissenschaftliches Ziel des Projekts ist die Entwicklung freitragender, durch Magnetfelder rekonfigurierbare Terahertz-Meta-Oberflächen (MO) basierend auf einem Verständnis der Abhängigkeit ihrer elektromagnetischen Eigenschaften sowie der Wechselwirkung der MO mit elektromagnetischen Wellen (EMW) im Terahertz-Bereich von den Designparametern der MO. Die Ausbreitung und Wechselwirkungen von EMW im Terahertz-Frequenzbereich (0,1-10 THz) in Materialien ist Gegenstand aktueller internationaler Forschung. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden auf diesem Gebiet enorme Fortschritte erzielt, darunter die Erfindung photoleitender Antennen (PCA), die eine gepulste Anregung und damit Time Domain Spectroscopy (TDS) ermöglichen. Dabei gehören sogenannte Metamaterialien (MM) zu den am schnellsten wachsenden Gebieten im THz-Bereich. Ein MM ist ein künstliches Material, das aus periodisch oder quasi-periodisch angeordneten Strukturen mit Größen kleiner als die Wellenlänge besteht und das Eigenschaften annehmen kann, die es in natürlichen Materialien nicht gibt, z.B sowohl negativer Brechungsindex wie negative Permeabilität, was als doppelt negative Strukturen (DNG) bezeichnet wird. Dies eröffnet neue Möglichkeiten der Interaktion mit EMW. Meta-Oberflächen (MO) sind zweidimensionale MM. Ihre Eigenschaften können entweder bereits durch Design und Herstellung bestimmt oder aktiv änderbar sein (durch externe Anregungen wie Licht, elektrischem Strom oder Potenzial, Temperatur usw.). Eine Möglichkeit zur Rekonfiguration von MS ist die Anwendung von magnetfeldgesteuerten mikroelektromechanischen Systemen (MF-MEMS), bei denen Strukturelemente durch ein externes Magnetfeld verformt werden. MEMS werden beispielsweise zum Schalten von Licht, als Mikrospiegelaktoren und in der Sensorik eingesetzt. Ihre Anwendung für abstimmbare THz-MO ist bisher jedoch sehr begrenzt. In dem beantragten Projekt wird der treibende Magnetfeldvektor durch ein externes Erregersystem frei steuerbar sein. Es werden MEMS-basierte THz-MO-Strukturen entwickelt, die mit dem Magnetfeld in jede Richtung interagieren können. Die Strukturelemente der MO werden aus leitenden und magnetischen Mikrobalken bestehen, die magnetisch verformbar sind. Die Verformung der Strukturelemente beeinflusst die elektromagnetischen Eigenschaften der MO im THz-Bereich, insbesondere Transmission, Reflexion (Änderungen der Resonanzfrequenzen) und Polarisation usw. . Das Design der Strukturelemente hat einen wesentlichen Einfluss auf die elektromagnetischen Eigenschaften von MO. Es werden solche Designs gesucht, die eine große Änderung der EM-Eigenschaften (z. B. Resonanzfrequenz) im THz-Bereich bewirken. Im Rahmen des Projekts werden auch die optimalen MEMS-Herstellungsverfahren für verformbare Mikrostrukturen aus magnetischen Materialien untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Großgeräte: projektbezogenes Upgrade eines vorhandenen optischen 3D Profilmessgeräts
• Gerätegruppe: 4150 Oberflächen-Prüfgeräte (Profil, Rauhtiefe)
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Przemyslaw Grzegorz Lopato