Erzeugung von Terahertz-Strahlung Laser für durchdringende Wellen

...ähnliche Eigenschaften wie Graphen

Nur: So einen Laser gibt es bislang noch nicht. »Das Problem war bislang, dass die Elektronen ihre Energie an andere Elektronen weitergeben, statt sie wie gewünscht als Lichtwellen abzustrahlen«, erläutert Winnerl. Den entsprechenden physikalischen Prozess bezeichnen die Fachleute als Auger-Streuung. Zum Leidwesen der Fachwelt spielt er sich auch in einem Material ab, das als besonders vielversprechend für einen Landau-Niveau-Laser galt: Graphen – eine zweidimensionale Form von Kohlenstoff – zeigte in Experimenten am HZDR eine ausgeprägte Auger-Streuung.

Eine Frage des Materials

Deshalb versuchte es das Forscherteam mit einem anderen Material – einer Verbindung aus Quecksilber, Cadmium und Tellur (HgCdTe). Bislang verwendete man diese Schwermetall-Legierung unter anderem für hochempfindliche Wärmebild-Kameras. Das Besondere an diesem Material: Der Gehalt an den jeweiligen Metallen Quecksilber, Cadmium und Tellur lässt sich sehr genau wählen. Dadurch lässt sich eine bestimmte Eigenschaft – im Fachjargon Bandlücke genannt – gezielt einstellen.

Als Resultat zeigte das Material ähnliche Eigenschaften wie Graphen – aber ohne dessen Nachteil von ausgeprägter Auger-Streuung. »Es gibt subtile Unterschiede zum Graphen, die diese Streuung vermeiden«, sagt Stephan Winnerl. »Vereinfacht ausgedrückt finden die Elektronen keine anderen Elektronen, die die passende Energie aufnehmen könnten.« Infolgedessen bleibt ihnen nichts anderes übrig, als ihre Energie in der gewünschten Form loszuwerden – als Strahlung im Terahertz-Bereich.

Das Projekt war ein internationales Teamwork: Russische Projektpartner hatten die HgCdTe-Proben hergestellt, die anschließend die federführende Arbeitsgruppe in Grenoble analysierte. Eine der entscheidenden Untersuchungen fand in Dresden-Rossendorf statt: Mit dem Freie-Elektronen-Laser FELBE feuerten die Fachleute starke Terahertz-Pulse auf die Probe und konnten das Verhalten der Elektronen zeitaufgelöst beobachten. Das Resultat: »Wir haben festgestellt, dass der Auger-Prozess, den wir in Graphen noch beobachtet hatten, tatsächlich verschwunden war«, freut sich Winnerl.

LED für Terahertz

Eine Arbeitsgruppe in Montpellier konnte schließlich beobachten, dass die Verbindung aus HgCdTe tatsächlich Terahertz-Wellen abgibt, wenn man elektrischen Strom anlegt. Indem die Fachleute das zusätzlich angelegte Magnetfeld von nur etwa 200 Millitesla variierten, konnten sie die Frequenz der abgegebenen Wellen im Bereich von ein bis zwei Terahertz variieren – eine durchstimmbare Strahlungsquelle. »Sie ist zwar noch kein Laser, sondern entspricht eher einer Terahertz-LED«, beschreibt Winnerl. »Das Konzept zu einem Laser zu erweitern, sollte aber machbar sein, auch wenn es einiger Anstrengung bedarf.« Genau das wollen die französischen Projektpartner nun in Angriff nehmen.

Allerdings gilt eine Einschränkung: Bislang funktioniert das Prinzip nur, wenn man es auf sehr tiefe Temperaturen knapp oberhalb des absoluten Nullpunkts kühlt. »Das ist sicher ein Manko für Alltagsanwendungen«, fasst Winnerl zusammen. »Aber für den Einsatz in der Forschung und bei manchen High-Tech-Systemen dürfte man mit dieser Kühlung durchaus leben können.«