Neuartige Terahertzquelle Sichere Medikamenten- und Lebensmittelkontrolle

Ein Laserimpuls treibt Elektronen aus einer magnetischen in eine nichtmagnetische Metallschicht. Der dabei entstehende Strom entlang des roten Pfeils erzeugt den Terahertz-Impuls.
Ein Laserimpuls treibt Elektronen aus einer magnetischen in eine nichtmagnetische Metallschicht. Der dabei entstehende Strom entlang des roten Pfeils erzeugt den Terahertz-Impuls.

Forscher des Fritz-Haber-Instituts Berlin haben eine neuartige Terahertzquelle entwickelt, mit der es deutlich einfacher und kostengünstiger wird, THz-Strahlung zu erzeugen. Damit wäre eine preiswerte und sichere Methode beispielsweise für die Kontrolle von Lebensmitteln und Medikamenten gefunden.

Terahertzwellen liegen im elektromagnetischen Spektrum im Frequenzbereich von etwa 0,3 bis 30 Terahertz – zwischen den Mikrowellen und dem infraroten Licht. Sie sind für die Analyse von organischem Material nützlich, weil sie etwa Textilien und Kunststoffe durchdringen, andererseits von vielen Pharmaka auf charakteristische Weise absorbiert werden. Anders als etwa Röntgenstrahlen sind Terahertzstrahlen zudem gesundheitlich unbedenklich. 

»Durch unseren Ansatz, Terahertzstrahlung zu erzeugen, werden Anwendungen möglich, für die solche Quellen bislang zu teuer waren«, sagt Tobias Kampfrath, Leiter der Terahertz-Physik-Forschungsgruppe am Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, die bei der Entwicklung des Konzeptes federführend war. 

Erzeugt die gesamte Bandbreite der THz-Strahlung

Die Terahertzquelle, die sein Team und ihre Partner nun vorstellen, erzeugt erstmals mit relativ wenig Aufwand die gesamte Bandbreite an Terahertzstrahlung. Das ist vor allem für die Kontrolle von Lebensmitteln und Medikamenten nützlich, weil Analysen über den gesamten Terahertzbereich hinweg auf mehr Stoffe ansprechen und daher aussagekräftigere Resultate liefern. Derzeit sind Apparate, die das gesamte Spektrum der Terahertzstrahlung erzeugen, noch teuer und groß, weil sie mit sehr leistungsstarken Lasern betrieben werden.

»Unser Emitter erzeugt das gesamte Spektrum von 1 bis 30 Terahertz und eignet sich dabei auch für Tischgeräte«, sagt Tom Seifert, Doktorand am Fritz-Haber-Institut. »Außerdem ist er energieeffizienter, einfacher zu bedienen und kostengünstiger in der Herstellung als bisherige Quellen. Wir erwarten, dass er rasch und breit eingesetzt wird.«

Ein kurzer Stromstoß macht eine metallische Doppelschicht zur Antenne

Die Quelle nutzt einen kompakten Femtosekundenlaser, der 80 Millionen ultrakurze Lichtblitze pro Sekunde erzeugt. Der eigentliche Emitter, den der Laser anregt, ähnelt einer Solarzelle. Er besteht allerdings aus einer magnetischen und einer nicht-magnetischen Metallschicht, die jeweils nur drei Nanometer dick sind und auf einem Glasträger aufgebracht sind. Wenn ein ultrakurzer Laserblitz auf das Material trifft, erzeugt er einen Stromstoß, so dass die metallische Doppelschicht zu einer Sendeantenne für elektromagnetische Wellen mit Terahertzfrequenzen wird. 

Elektronenladung und -spin nutzen

»Der Emitter funktioniert so gut, weil wir zusätzlich zur Ladung der Elektronen auch ihren Spin nutzen«, sagt Tom Seifert. Der Spin ist eine magnetische Eigenschaft der Elektronen und bewirkt, dass sich Strom in magnetischen Metallen anders verhält als in nichtmagnetischen. Das Laserlicht mobilisiert in der magnetischen Schicht zunächst unterschiedlich viele Elektronen der beiden möglichen Spin-Orientierungen. Die Ladungsträger fließen dann in die nicht-magnetische Schicht. Dort werden sie abhängig von ihrem Spin in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. So entsteht ein Strom senkrecht zur ursprünglichen Bewegungsrichtung der Elektronen. Genau dieser Stromstoß erzeugt dann den Terahertz-Impuls. Da der metallische Doppelfilm extrem dünn ist, wird die elektromagnetische Strahlung auf ihrem Weg aus dem Metall kaum abgeschwächt, wie es in einer dickeren Schicht der Fall wäre.