Terahertz-Quelle mit einstellbarer Wellenlänge

Supercomputer-Simulationen weisen den Weg

Der Terahertz-Bereich ist einer der letzten Abschnitte im elektromagnetischen Spektrum, von den Radiowellen über optische Anwendungen bis hin zur Röntgenstrahlung, der im Alltag noch kaum genutzt wird. Die Erzeugung der Strahlung ist schwierig und bislang nur eingeschränkt möglich. Dabei bietet sie zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten.

Ausbreitung der Terahertz-Wellen im ionisierten Gas in einem magnetischen Feld von 178 Tesla. (Copyright: Forschungszentrum Jülich)

Jülicher Wissenschaftler haben nun im Fachmagazin Physical Review Letters gemeinsam mit internationalen Partnern ein neues Konzept vorgestellt, mit dem sich die Möglichkeiten von noch in der Entwicklung befindlichen Terahertz-Quellen mit Kurzpulslasern erweitern lassen. Eine wichtige Rolle spielten dabei Berechnungen auf dem Jülicher Superrechner JUQUEEN.

Mithilfe aufwendiger Simulationen konnten die Wissenschaftler zeigen, wie man Wellenlänge und Polarisation der erzeugten Terahertz-Strahlung durch ein starkes äußeres Magnetfelds gezielt beeinflussen kann. Terahertz-Wellen sind im elektromagnetischen Spektrum zwischen den Mikrowellen und der Infrarotstrahlung angesiedelt. Der Bereich von 0,1 und 30 THz, die „Terahertz-Lücke", befindet sich damit genau zwischen der Elektronik und der Optik, und wird weder durch herkömmliche elektrische noch optische Quellen, also Antennen und Lampen, abgedeckt.

Dabei ist die Strahlung aufgrund ihrer ungewöhnlichen Eigenschaft für vielfältige Einsatzzwecke interessant: Einerseits durchdringt sie Textilien und Kunststoffe, andererseits wird sie aber auch von vielen Materialien auf charakteristische Art und Weise absorbiert. Das Anwendungsspektrum reicht von der schonenden Krebsfrüherkennung über die Nahrungsmittelkontrolle bis hin zu Körperscannern und ultraschnellen WLAN-Verbindungen.

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Konventionelle THz-Quelle (oben): Zwei Laserpulse mit unterschiedlichen Frequenzen werden auf einen Gas-Target fokussiert. Die dadurch freigesetzten Elektronen erhalten eine langsame Driftbewegung, die wiederum als THz-Strahlung emittiert wird. Neue Quelle (unten): Ein Multi-Tesla-Magnetfeld entlang der Laserrichtung verursacht eine schnelle Kreisbewegung der freigesetzten Elektronen, die als kurzwellige (sub-mm) Strahlungsantenne fungiert. (Copyright: Forschungszentrum Jülich)

Zur Erzeugung der Terahertz-Wellen sind seit der Jahrtausendwende erste Terahertz-Quellen als vergleichsweise kompakte und kostengünstige Alternative zu großen Teilchenbeschleunigern im Einsatz. Sie verwenden sogenannte Femtosekundenlaser, die ihre gesamte Energie auf einen ultrakurzen Lichtpuls konzentrieren. „Man kann sich diese Technik so ähnlich wie einen Transformator vorstellen, der die hohe Frequenz der eingehenden Laserstrahlen in den niedrigeren Terahertz-Frequenzbereich übersetzt", erklärt Prof. Paul Gibbon vom Jülich Supercomputing Centre (JSC).

Zwei ultrakurze Laserpulse unterschiedlicher Frequenz werden bei dieser Technik, die derzeit noch weiter entwickelt wird, auf ein Gas-Target geschossen. Das Gas wird ionisiert, Elektronen werden freigesetzt. So werden aus den wesentlich schnelleren Laserfrequenzen langsamer schwingende Terahertz-Wellen. „Die starken elektromagnetischen Felder der beiden Laser versetzen die Elektronen in Schwingung; allerdings nicht rein harmonisch, also im 'Gleichtakt', sondern etwas asymmetrisch, was über einen Laserzyklus gemittelt zu einer Art Gleichstrom führt", ergänzt Humboldt-Stipendiat Dr. Wei-Min Wang, ebenfalls tätig am Jülich Supercomputing Centre (JSC). Andernfalls lägen die Frequenzen immer noch im höheren Bereich der Laser. „Auf diese Weise entsteht ein Terahertz-Puls, der gerade einmal einen Zyklus lang andauert – und als Welle nach außen abstrahlt", so Wang.

Gemeinsam mit Forschern der Universität Strathclyde und des Institute of Physics in Peking, das der Chinesischen Akademie der Wissenschaften angehört, haben die beiden Forscher nun ein neues Konzept vorgestellt, das die Erzeugung von Terahertz-Strahlung mit regelbarer Wellenlänge und über mehrere Zyklen hinweg mit schmaler Bandbreite ermöglicht - Charakteristiken, die einem Laser im optischen Bereich ähnlich sind. Es sieht ein starkes Magnetfeld vor, das von außen an das ionisierte Gas angelegt wird und die freien Elektronen im Plasma wie in einem Teilchenbeschleuniger in eine Kreisbahn zwingt. Diese Kreisbewegung bestimmt sowohl die Wellenlänge als auch die Schwingungsrichtung der erzeugten Strahlung. Deren optische Eigenschaften lassen sich somit gezielt über die Stärke des Magnetfelds anpassen, was die Tür öffnen könnte für eine Vielzahl neuer Anwendungen.

„Insbesondere spektroskopische oder vielmehr abbildende Verfahren – zum Beispiel zur Untersuchung der Dynamik großer Biomoleküle wie der DNA – könnten von einer derartigen Strahlungsquelle profitieren, die eine bessere Zeit- und Raumauflösung bietet", erläutert Wei-Min Wang. Die praktische Umsetzung ist allerdings nicht trivial, eine experimentelle Umsetzung steht noch aus.

„Das Konzept setzt eine Kombination von leistungsstarken Lasern und Magnetfeldern von über 100 Tesla voraus. Das ist technisch schon sehr anspruchsvoll, aber durchaus machbar auf diesen Raum- und Zeitskalen", schätzt Paul Gibbon. Die Wissenschaftler nutzten aufwendige Simulationsrechnungen auf einem der schnellsten Superrechner Europas, dem Jülicher Supercomputer JUQUEEN, um die Eigenschaften der neuen Terahertz-Quelle zu erforschen.

Originalpublikation:
W. -M. Wang, P. Gibbon, Z. -M. Sheng, Y. -T. Li: Tunable circularly polarized terahertz radiation from magnetized gas plasma. Phys. Rev. Lett. 114, 253901 (2015), DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.114.253901.

Ansprechpartner:
Prof. Paul Gibbon, Jülich Supercomputing Centre (JSC)
E-Mail: p.gibbon@fz-juelich.de

Dr. Wei-Min Wang
E-Mail:

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