2016 Mai

Neue Terahertz-Quelle

Wednesday, 25th May 2016Ausgewählte Publikationen

 

Prinzip des Emitters. Ein extrem kurzer Laserimpuls treibt Elektronen aus dem Magneten in den benachbarten Nichtmagneten. Entscheidend ist, dass es zwei Sorten von Elektronen gibt, die sich durch ihren Spin (dicke hellblaue Pfeile) und ihre Anzahl unterscheiden (Länge der dicken Pfeile). Im Nichtmagneten erfahren diese Elektronen je nach Ausrichtung ihres Spins eine Ablenkung nach oben oder unten. Der daraus resultierende kurze Stromfluss entlang des roten Pfeiles sorgt für die Abstrahlung eines Terahertzimpulses.

Prinzip des Emitters. Ein extrem kurzer Laserimpuls treibt Elektronen aus dem Magneten in den benachbarten Nichtmagneten. Entscheidend ist, dass es zwei Sorten von Elektronen gibt, die sich durch ihren Spin (dicke hellblaue Pfeile) und ihre Anzahl unterscheiden (Länge der dicken Pfeile). Im Nichtmagneten erfahren diese Elektronen je nach Ausrichtung ihres Spins eine Ablenkung nach oben oder unten. Der daraus resultierende kurze Stromfluss entlang des roten Pfeiles sorgt für die Abstrahlung eines Terahertzimpulses.

Internationales Forscherteam realisiert kompakte Quelle mit extrem breitbandiger Frequenzabdeckung

Terahertz-Wellen bieten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, sind bisher jedoch schwierig und eingeschränkt zu erzeugen. Wissenschaftler des Fritz-Haber-Institutes der Max-Planck-Gesellschaft haben mit nationalen und internationalen Partnern ein neuartiges Konzept zur Erzeugung dieser elektromagnetischen Strahlung entwickelt. Ihr Emitter in Form einer dünnen Metallschicht kann das gesamte Terahertz-Spektrum erzeugen. Möglich macht dies die geschickte Nutzung der Spineigenschaft von Elektronen. Auf der Basis dieses Prinzips lassen sich effizientere Quellen bauen, die erstmals lückenlos über die große Bandbreite von 1 bis 30 Terahertz abstrahlen. Der neue Emitter ist zudem kostengünstiger herstellbar. (Nature Photonics, http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2016.91).

Terahertz-Wellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und dem infrarotem Licht im Frequenzbereich von etwa 0,3 bis 30 Terahertz. Die Strahlung ist äußerst nützlich, denn sie durchdringt viele Materialien, darunter Textilien und Kunststoffe, und wird von anderen Substanzen auf charakteristische Weise absorbiert. Anders als etwa Röntgenstrahlen sind Terahertz-Strahlen gesundheitlich unbedenklich. Sie finden deshalb zum Beispiel in Körperscannern an Flughäfen Verwendung oder werden zur Qualitätskontrolle von Nahrungs- oder Arzneimitteln genutzt.

Die Nutzung des gesamten Terahertz-Spektrums wurde jedoch bisher dadurch verhindert, dass Apparate für dessen lückenlose Erzeugung teuer und groß sind. Wissenschaftler des Fritz-Haber-Instituts in Berlin und ihre Partner in Mainz, Greifswald und Jülich sowie den USA, Schweden und Frankreich haben nun einen Terahertz-Emitter gebaut, der skalierbar ist und sich für Tischgeräte eignet (s. Abbildung). „Er erzeugt das gesamte Spektrum von 1 bis 30 Terahertz und ist dabei energieeffizienter, einfacher zu bedienen und günstiger in der Herstellung als bisherige Quellen“, freut sich Tom Seifert, Doktorand in der Terahertz Physics Group am Fritz-Haber-Institut. „Wir erwarten einen raschen und breiten Einsatz.“

Foto des Prototypen der Terahertz-Quelle.

Foto des Prototypen der Terahertz-Quelle.

Die Quelle nutzt einen kompakten Femtosekundenlaser, der 80 Millionen ultrakurze Lichtblitze pro Sekunde erzeugt. Herkömmliche Geräte benötigen deutlich leistungsstärkere Laser, die viel teurer, aufwendiger und größer sind und mehr Energie verbrauchen.

Der Emitter hat Ähnlichkeit mit einer Photodiode oder auch einer Solarzelle. Die Beleuchtung des Materials mit einem ultrakurzen Laserblitz erzeugt einen Stromstoß, der dann einer Sendeantenne gleich einen elektromagnetischen Impuls abstrahlt. Im Gegensatz zu Solarzellen besteht der Emitter aus einem nur 5,8 Nanometer dünnen Metallfilm, so dass der Stromstoß extrem kurz ist und die Terahertz-Strahlung im Emittermaterial kaum abgeschwächt wird. Nachdem die Forscher die verwendeten Metalle und Schichtdicken systematisch optimierten, reicht nun relativ schwache Laserstrahlung zur Erzeugung des gesamten Spektrums von 1 bis 30 Terahertz aus.

Seiferts Betreuer Tobias Kampfrath erklärt eine weitere wichtige Zutat der neuen Terahertz-Quelle: „Der Emitter funktioniert so gut, weil wir zusätzlich zur Ladung der Elektronen auch ihren Spin nutzen.“ Der Spin ist eine magnetische Eigenschaft der Elektronen und dafür verantwortlich, dass sich Strom in magnetischen Metallen anders verhält als in nichtmagnetischen. Dieser Effekt wird in der neuen Quelle geschickt ausgenutzt, um den Elektronenfluss so zu steuern, dass die Terahertz-Welle besonders gut abgestrahlt werden kann.

Originalveröffentlichung:

Efficient metallic spintronic emitters of ultrabroadband terahertz radiation;
T. Seifert et al., Nature Photonics, http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2016.91

Kontakt:
Tobias Kampfrath, Terahertz Physics Group, FHI
kampfrath@fhi-berlin.mpg.de