Kompakte Quelle für Terahertzstrahlen

Gestapelte Josephson-Kontakte können zur kohärenten Emission gebracht werden und eignen sich damit für den Aufbau einer handlichen Terahertzquelle.

Argonne (USA)/Tsukuba (Japan) – Terahertzstrahlen durchleuchten Materialien, Flugpassagiere oder biologische Proben. Doch zurzeit mangelt es noch an effizienten Quellen für diesen Teilbereiche des elektromagnetischen Spektrums zwischen Infrarot- und Mikrowellen. Für einen bisher nicht erreichbaren Frequenzbereich entwickelte nun ein internationales Forscherteam aus Supraleitern einen neuen Emitter. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, taugt dieser für den Aufbau kleiner, handlicher Quellen.

„Wir zeigen, dass Terahertzstrahlung mit einer Leistung im Mikrowatt-Bereich produziert werden kann“, schreibt das Team um Ulrich Welp vom Argonne National Laboratory. Zusammen mit türkischen und japanischen Kollegen vom Izmir Institut für Technologie und von der Tsukuba Universität bauten sie ein Modul, das für die Emission von Strahlung mit einer Frequenz zwischen 0,5 und 2 Terahertz geeignet ist. Unter dieser Lücke liefern Halbleiter-Emitter, oberhalb davon Laser bereits effizient Terahertzstrahlung.

Der Schlüssel zu diesem Erfolg liegt in intrinsischen Josephson-Kontakten. Diese existieren in geschichteten Hochtemperatursupraleiter aus Wismutstrontiumkalziumcuprat (BSCCO). Die unter 50 Kelvin supraleitenden Cuprat-Lagen werden darin durch dünne nicht supraleitende Barrieren aus Wismutoxid und Strontiumoxid voneinander getrennt. Jeder Josephson-Kontakt ist dabei etwa 1,5 Nanometer dick. Liegt nun eine Gleichspannung an diesem Kontakt an, oszilliert der durch den Kontakt fließende Strom. Dabei wird Terahertzstrahlung in dem gewünschten Frequenzbereich ausgesendet.

Die Effizienz dieses Effekts ist mit einer Ausgangsleistung im Picowatt-Bereich eigentlich zu gering für eine nutzbare Terahertzquelle. Doch Welp und seine Kollegen konnten nun bis zu 670 dieser gestapelten Josephson-Kontakte miteinander synchronisieren. In einem ein Mikrometer dicken Modul erreichten sie dieses Ziel mit einer stehenden elektromagnetischen Welle. Vergleichbar mit der stimulierten Emission von Lichtteilchen in einem Laser senden die Josephson-Kontakte nun gemeinsam kohärente Terahertzwellen aus. Bisher erreichten sie eine Ausgangsleistung von einem halben Milliwatt bei einer Frequenz von 1,6 Terahertz. Doch nach Aussage der Forscher besteht eine berechtigte Hoffnung, diesen Wert deutlich steigern zu können.

„In Zukunft könnten solche Strukturen als sinnvolle Mikrometer kleine Terahertz-Quellen dienen“, schreibt Reinhold Kleiner von der Universität Tübingen in einem begleitenden Kommentar. Bis dahin müssen noch der genaue Anregungsmechanismus und Fragen zur Stabilität des Moduls geklärt werden. Doch hofft Kleiner, dass das Forschungsgebiet für Emitter im unteren Terahertzspektrum durch dieses Ergebnis nun stimuliert wird, um sowohl stabile als auch effiziente Quellen zu entwickeln.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  L. Ozyuzer et al., Emission of Coherent THz Radiation from Superconductors, Science 318, 1291 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1149802
• Kommentar:
  R. Kleiner, Filling the Terahertz Gap, Science 318, 1254 (2007).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1151373
• Argonne National Laboratory:
  http://www.anl.gov
• Materials Science Devision, Superconductivity and Magnetism:
  http://www.msd.anl.gov/groups/sm/index.html
• Tsukuba Universität:
  http://www.tsukuba.ac.jp/eng/
• Izmir Institut für Technologie:
  http://www.iztech.edu.tr/main_eng.jsp?pageName=main.htm

Weitere Literatur:

• I.Batov et al., Appl. Phys. Lett. 88, 262504 (2006).
• H. B. Wang et al., Appl. Phys. Lett. 89, 252506 (2006).
• R. Kleiner, F. Steinmeyer, G. Kunkel, P. Müller, Phys. Rev. Lett. 68, 2394, (1992).
• V. P. Koshelets, S. V. Shitov, Supercond. Sci. Technol. 13, R53 (2000).