Umrechnung von Terahertz in Nanohertz

Informationen über Terahertz (THz)

Das Terahertz ist eine Frequenzeinheit und entspricht einer Billion Hertz. Sein Zeichen ist THz. Es belegt die Lücke zwischen den höchsten Funkfrequenzen und dem niedrigsten Infrarotlicht, einen Bereich, der im größten Teil des zwanzigsten Jahrhunderts so schwer zu erzeugen oder nachzuweisen war, dass man ihn Terahertzlücke nannte.

Die Schwierigkeit war praktischer und nicht theoretischer Art. Elektronische Oszillatoren gehen oberhalb einiger hundert Gigahertz die Puste aus, weil die Ladungsträger nicht schnell genug folgen, während optische Quellen wie Laser unterhalb des Infraroten an Wirkungsgrad verlieren. Das Band dazwischen hatte auf keiner Seite eine bequeme Technik, und es blieb jahrzehntelang der am wenigsten erforschte Teil des elektromagnetischen Spektrums.

Das änderte sich mit ultraschnellen Lasern und photoleitenden Antennen, die Terahertzimpulse erzeugen, indem sie einen Halbleiter mit einem Laserimpuls von wenigen Femtosekunden beleuchten. Die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie misst heute die Antwort von Werkstoffen über das ganze Band, und das Verfahren ist ein gängiges Werkzeug der Materialwissenschaft geworden.

Die Sicherheitskontrolle ist die bekannteste Anwendung. Terahertzstrahlung durchdringt Kleidung, Papier, Kunststoff und Keramik, wird aber von Metall aufgehalten und von Wasser aufgenommen, und ihre Photonenenergie ist viel zu gering, um irgendetwas zu ionisieren; sie kann verborgene Gegenstände also ohne die Risiken der Röntgenstrahlung abbilden. Körperscanner an Flughäfen arbeiten nach diesem Prinzip.

Die Molekülspektroskopie nutzt das Band, weil viele große Moleküle hier Rotations- und Schwingungszustände besitzen. Sprengstoffe und Betäubungsmittel zeigen kennzeichnende Terahertzsignaturen, und das Verfahren dient der pharmazeutischen Qualitätskontrolle, um Kristallformen zu unterscheiden, die mit anderen Methoden gleich aussehen. Die Kunstrestaurierung wendet es an, um unter Farbschichten zu blicken, ohne eine Leinwand zu berühren.

Die Astronomie beobachtet bei diesen Frequenzen von hohen, trockenen Standorten oder aus dem Orbit, weil atmosphärischer Wasserdampf Terahertzstrahlung stark aufnimmt. Kalter Staub und molekulares Gas in Sternentstehungsgebieten strahlen hier, weshalb Observatorien in großer Höhe in Chile und am Südpol errichtet werden.

Die Nachrichtenforschung dringt inzwischen in das Band vor. Datenraten wachsen mit der verfügbaren Bandbreite, und oberhalb von 100 Gigahertz ist weit mehr Platz als darunter; Labore haben daher Funkstrecken vorgeführt, die bei Frequenzen nahe einem Terahertz Hunderte Gigabit je Sekunde tragen. Das Hindernis ist, dass Wasserdampf diese Wellen stark verschluckt und eine Strecke bei klarer Luft auf wenige hundert Meter begrenzt, bei Regen auf deutlich weniger. Das beschränkt die Technik auf kurze Sprünge: Verbindungen zwischen Dachantennen, Strecken innerhalb eines Rechenzentrums oder das letzte Stück zwischen einem Lichtmast und einem Haus — nichts, was einer Rundfunkausstrahlung ähnelte.

Ein Terahertz entspricht einer Billion Hertz, 1000 Gigahertz oder einer Wellenlänge von etwa 0,3 Millimetern.

Informationen über Nanohertz (nHz)

Das Nanohertz ist eine Frequenzeinheit und entspricht einem Milliardstel Hertz. Sein Zeichen ist nHz. Ein Nanohertz ist eine Schwingung je Milliarde Sekunden, knapp zweiunddreißig Jahre; eine einzige Schwingung dieser Frequenz dauert also länger als die meisten Berufslaufbahnen.

Fast nichts nutzt sie, und dann wurde sie 2023 zu einer der meistbesprochenen Einheiten der Physik. Mehrere Kollaborationen von Pulsar-Timing-Arrays, unabhängig voneinander auf vier Kontinenten tätig, berichteten Hinweise auf einen Hintergrund von Gravitationswellen im Nanohertzbereich. Das Signal scheint von Paaren supermassereicher Schwarzer Löcher zu stammen, die einander in den Zentren verschmolzener Galaxien über die gesamte Geschichte des Universums hinweg umkreisen.

Das Messverfahren ist bemerkenswert. Millisekundenpulsare sind Neutronensterne, die sich hundertfach je Sekunde drehen und einen Strahl aussenden, der mit außerordentlicher Regelmäßigkeit über die Erde streicht und es mit Atomuhren aufnimmt. Eine Gravitationswelle, die die Galaxis durchquert, dehnt und staucht den Raum zwischen Erde und jedem Pulsar und verschiebt die Ankunftszeiten der Impulse um einige hundert Nanosekunden. Indem Dutzende Pulsare zwei Jahrzehnte lang beobachtet und auf ein bestimmtes Korrelationsmuster hin geprüft werden, weisen Astronomen Wellen nach, deren Wellenlängen in Lichtjahren gemessen werden.

Bei diesen Frequenzen könnte kein Gerät anders arbeiten. Ein Detektor muss in seiner Größe mit der gesuchten Wellenlänge vergleichbar sein, und eine Gravitationswelle von einem Nanohertz hat eine Wellenlänge von einigen Dutzend Lichtjahren. Die Galaxis selbst ist die Apparatur, und die Pulsare sind ihre Marken.

Sonst erscheint die Einheit nur in den langsamsten natürlichen Zyklen. Die Präzession der Erdachse benötigt rund 26 000 Jahre, etwa 1,2 Nanohertz. Die Bahnschwankungen von Exzentrizität, Schiefe und Präzession, die den Takt der Eiszeiten vorgeben, die Milanković-Zyklen, reichen von etwa 0,5 Nanohertz bis zu einem Zehntel davon.

Unterhalb des Nanohertz gerät der Begriff der Frequenz in Bedrängnis, denn nichts ist lange genug beobachtet worden, um einen vollen Zyklus zu sehen, und der Wert wird aus der Theorie erschlossen statt gezählt.

Ein Nanohertz entspricht 0,000000001 Hertz, einer Schwingung je Milliarde Sekunden oder 0,001 Mikrohertz.