Neuartige Terahertz-Quelle

Neue Möglichkeiten für Scanner und Qualitätskontrolle

Terahertz-Wellen bieten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, zum Beispiel in Körperscannern, sie sind bisher jedoch schwierig und nur eingeschränkt zu erzeugen. Jülicher Wissenschaftler haben mit internationalen Partnern ein neuartiges Konzept zur Herstellung dieser elektromagnetischen Strahlung realisiert.

Prinzip der neuartigen Terahertz-Quelle: Ein extrem kurzer Laserimpuls lässt energiereiche Elektronen aus dem Magneten in den Nichtmagneten fließen. Entscheidend ist, dass es zwei Sorten von Elektronen gibt, die sich durch ihren Spin (dicke rote Pfeile) und ihre Anzahl unterscheiden. Im Nichtmagneten erfahren diese Elektronen eine Ablenkung, die von der Richtung des Elektronenspins abhängt. Der daraus resultierende kurze Stromfluss entlang des blauen Pfeiles erzeugt einen Terahertz-Impuls. (Copyright: Fritz-Haber-Institut)

Ihr Emitter in Form einer dünnen Metallschicht kann das gesamte Terahertz-Spektrum erzeugen. Möglich macht dies die geschickte Nutzung der Spineigenschaft von Elektronen. Auf Basis dieses Prinzips lassen sich effizientere Quellen bauen, die erstmals lückenlos über die große Bandbreite von 1 bis 30 THz abstrahlen. Der neue Emitter ist zudem kompakter und kostengünstiger herstellbar.

Terahertz-Wellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und dem infraroten Licht im Frequenzbereich von etwa 1 bis 30 THz. 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 Nahrungsmitteln genutzt.

Ein Hindernis für eine breitere Nutzung ist, dass Apparate, mit denen sich das gesamte Terahertz-Spektrum lückenlos erzeugen lässt, teuer und groß sind. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich und Partner aus Deutschland, den USA, Schweden und Frankreich haben nun einen Terahertz-Emitter realisiert, der skalierbar ist und sich für Tischgeräte eignet. „Unser Prototyp erzeugt das gesamte Terahertz-Spektrum von 1 bis 30 THz und ist dabei energieeffizienter, einfacher zu bedienen und günstiger in der Herstellung als bisherige Quellen", freut sich Prof. Dr. Yuriy Mokrousov, Leiter der Helmholtz-Nachwuchsgruppe für Topologische Nanoelektronik am Forschungszentrum Jülich. „Wir erwarten einen raschen und breiten Einsatz."

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

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

Mokrousovs Kollege Dr. Frank Freimuth 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 Elektronentransport so zu steuern, so dass die Terahertz-Welle besonders gut abgestrahlt werden kann. Mit einem in Jülich entwickelten Rechencode halfen die beiden Physiker, geeignete Materialien auszuwählen und die experimentellen Ergebnisse zu verstehen.

Originalveröffentlichung:
Efficient metallic spintronic emitters of ultrabroadband terahertz radiation; T. Seifert et al.; Nature Photonics, DOI: 10.1038/nphoton.2016.91.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Yuriy Mokrousov
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1), Forschungszentrum Jülich
E-Mail: y.mokrousov@fz-juelich.de

Dr. Frank Freimuth
Quanten-Theorie der Materialien (PGI-1/IAS-1), Forschungszentrum Jülich
E-Mail: f.freimuth@fz-juelich.de

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