Photonik-Forschung

Neues Prinzip zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung

20. August 2019, 15:55 Uhr | Nicole Wörner

Zirkular polarisierte Terahertz-Pulse (orange Spirale) regen die Elektronen (rot) vom untersten auf das nächst höhere Energieniveau (parabolische Schale) an.

Wissenschaftler haben ein Material basierend auf einer Verbindung aus Quecksilber, Cadmium und Tellur entwickelt, das Terahertz-Wellen durch das simple Anlegen eines elektrischen Stroms erzeugt. Das könnte der Durchbruch auf dem Weg zum „Landau-Niveau-Laser“ sein.

Der „Landau-Niveau-Laser“ ist ein spannendes Konzept für eine ungewöhnliche Strahlungsquelle. Er hat das Zeug, höchst effizient Terahertz-Wellen zu erzeugen, die sich zum Durchleuchten von Materialen und für die künftige Datenübertragung nutzen ließen. Bislang jedoch scheiterten nahezu alle Versuche, einen solchen Laser in die Tat umzusetzen. Mit dem neuen Material ist einem internationalen Forscherteam unter Mithilfe von Physikern des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) nun ein wichtiger Schritt gelungen.

Ebenso wie Licht zählen Terahertz-Wellen…

...zur elektromagnetischen Strahlung. Ihre Frequenzen liegen zwischen denen von Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Sowohl für die Technik als auch für die Wissenschaft zeigen sie interessante Eigenschaften: So können Grundlagenforscher mit ihnen die Schwingungen von Kristallgittern oder die Ausbreitung von Spinwellen studieren.

»Für technische Anwendungen ist interessant, dass Terahertz-Wellen zahlreiche Stoffe durchdringen können, die ansonsten undurchsichtig sind, etwa Kleidung, Kunststoffe und Papier«, erklärt HZDR-Forscher Stephan Winnerl. Eingesetzt werden sie heute bereits bei Sicherheitskontrollen an Flughäfen. Hier lässt sich mit Terahertz-Scannern prüfen, ob Fluggäste gefährliche Gegenstände unter ihrer Kleidung tragen – und zwar ohne den Einsatz schädlicher Röntgenstrahlung.

Nützlich könnten die Terahertz-Wellen eines Tages…

...auch für die Datenübertragung sein. Der Grund: Sie haben eine höhere Frequenz als die derzeit verwendeten Radiowellen. WLAN beispielsweise funktioniert heute bei Frequenzen von rund zwei bis fünf Gigahertz. Terahertz-Frequenzen sind rund tausendmal höher und könnten Bilder, Videos und Musik entsprechend schneller übermitteln, wenn auch bei geringeren Reichweiten. Allerdings ist die Technik noch nicht ausgereift. »Zwar gab es in den letzten Jahren viele Fortschritte«, berichtet Winnerl. »Aber nach wie vor ist es nicht ganz einfach, die Wellen zu erzeugen – die Fachwelt spricht von einer regelrechten Terahertz-Lücke.« Insbesondere gibt es noch keinen kompakten, leistungsfähigen und zugleich durchstimmbaren Terahertz-Laser.

Verantwortlich für die Lichterzeugung in einem Laser…

...sind die Elektronen im Lasermaterial. Steckt man Energie in sie, senden sie Licht aus. Der Grund dafür ist ein Quanteneffekt: Die Elektronen können nicht beliebige Energien aufnehmen, sondern nur bestimmte Portionen. Dementsprechend erfolgt auch die Lichtabgabe portionsweise – in einer bestimmten Farbe und als gebündelter Strahl. Für einen Terahertz-Laser hat die Fachwelt bereits seit längerem ein spezielles Konzept im Blick, den „Landau-Niveau-Laser“.

Das Besondere: Bei ihm lassen sich die Energieniveaus der Elektronen mithilfe eines Magnetfeldes flexibel einstellen. Diese Niveaus bestimmen wiederum, welche Frequenzen die Elektronen abstrahlen. Dadurch ist der Laser durchstimmbar – ein großes Plus für viele wissenschaftliche und technische Anwendungen.

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.