Mit Terahertz-Strahlung in die Materie blicken

In Materialforschung, Chemie, Biologie und Medizin bestimmen die chemischen Bindungen und insbe­sondere deren Dynamik die Eigen­schaften eines Systems. Und diese lassen sich sehr genau mit Tera­hertz­strah­lung und kurzen Pulsen unter­suchen. Der Beschleu­niger FLUTE am KIT wird neue Techno­logien für kompakte und leis­tungs­fähige Tera­hertz-Quellen als effi­ziente Werk­zeuge für Forschung und Anwen­dung entwickeln.

Das Ferninfrarot Linac- und Test-Experiment FLUTE am KIT ist eine Ent­wick­lungs­platt­form für die Beschleu­niger­physik. An ihr werden Ver­fahren getes­tet, um zu­nächst die komplexe Dynamik extrem kurzer Elek­tronen­pakete besser zu ver­stehen, zu ver­messen und zu kon­trol­lieren. Erst sehr kompakte Elek­tronen­pakete ermög­lichen es inten­sive, bril­lante, kohä­rente Tera­hertz­strah­lung zu erzeugen. Die beson­dere Heraus­forde­rung, der Beschleu­niger wie FLUTE nach­gehen, ist es, die Elek­tronen­wolke bei der Beschleu­ni­gung so kompakt zu halten, dass ihre Aus­deh­nung kleiner ist als die Wellen­länge der erzeug­ten elek­tro­magne­tischen Strah­lung. Nur dann über­lagern sich die Wellen kon­struk­tiv zu Pulsen von hoher Inten­sität mit Dauern von Piko- oder Femto­sekunden.

Langfristig gilt es die Kontrolle der Elektronenpakete so zu ver­bessern, dass die Tera­hertz­strah­lung perfekt auf die Bedürf­nisse der An­wender zuge­schnitten werden kann. Die Tera­hertz­strah­lung könnte Anwen­dungs­gebiete auf­stoßen, die dem benach­barten sicht­barem Licht und den Radio­wellen ver­schlossen sind. Als For­schungs­infra­struktur dient FLUTE auch der Ent­wick­lung von Mess­methoden für Tera­hertz­strah­lung, die von den Material- und Lebens­wissen­schaften genutzt werden kann. Schwin­gungen von Proteinen lassen sich ebenso unter­suchen wie das Ver­halten von Supra­leitern oder neu­artigen Halb­leitern.

Innerhalb des rund zwölf Meter langen FLUTE-Beschleunigers werden die Elek­tronen auf eine Energie von bis zu fünfzig Mega­elek­tronen­volt beschleu­nigt. Durch die Kom­pres­sion der Elek­tronen­wolke auf einige Mikro­meter wird Strah­lung mit einer Frequenz von dreißig Tera­hertz oder mehr mög­lich. Neben dem Institut für Beschleu­niger­physik und Techno­logie des KIT sind Ent­wick­lungs­partner aus ganz Europa, darunter das Paul-Scherrer-Institut aus der Schweiz, an FLUTE beteiligt.

KIT / RK