Schichtdicken per Quanteninterferenz messen

Forschern der TU Kaiserslautern und des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschafts­mathematik gelang erstmals die Schicht­dicken­messung mittels Terahertz-Quanten­interferenz. Das Leit­projekt QUILT der Fraunhofer-Institute befasst sich unter anderem mit der Detektion von Terahertz-Wellen auf Basis neuer quanten­optischer Methoden. QUILT steht für „Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions“ und bildet für mehrere Fraunhofer-Institute die Grundlage, gemeinsam quanten­basierte Messsysteme in verschiedenen Spektral­bereichen zu entwickeln und weiter­zu­entwickeln. Am Fraunhofer-ITWM werden die Eigen­schaften verschränkter Photonen im noch jungen Forschungs­gebiet der Quanten­sensorik genutzt.

„Trotz der stetigen Weiterentwicklung der Terahertz-Technologie in den letzten Jahren ist das Aufnehmen eines Bildes in diesem Spektral­bereich weiterhin eine große technische Heraus­forderung“, so Georg von Freymann von der TU Kaisers­lautern und dem Fraunhofer-ITWM. „Im Gegensatz dazu sind heutzutage selbst Kameras in Smartphones oder PCs hoch­entwickelt und bieten hohe Auflösung sowie Detektions­effizienz bei moderaten Kosten.“ Abhilfe kann hier ein neues Messverfahren schaffen: Mithilfe quanten­optischer Methoden lassen sich die Eigen­schaften von Photonen im Terahertz-Spektral­bereich auf leichter zu detek­tierende sichtbare Photonen über­tragen, sodass sich Informa­tionen über die Terahertz-Photonen leichter auswerten lassen.

Im vorangegangenen Jahr haben von Freymann und sein Team die Grund­lagen für das zu realisie­rende Messprinzip geschaffen, jetzt konnten die Forscher Quanten­interferenz im Terahertz-Spektral­bereich mithilfe sichtbarer Photonen beobachten. Es gelang hierbei erstmals, die Terahertz-Wellen auch für Experimente an externen Proben zugänglich zu machen. Dabei profitierten die Experimente auch von der Zuarbeit theore­tischer Physiker des Fraunhofer-ITWM. Die Ergebnisse der Simula­tionen zeigen eine sehr gute Überein­stimmung mit dem Experiment.

Damit war es möglich, die Schichtdicke verschiedener Proben, die nur mit den Terahertz-Wellen interagieren, durch die Detektion von sichtbarem Licht zu bestimmen. Hierbei handelt es sich weltweit um die ersten Untersuchungen dieser Art.

TU Kaiserslautern / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Kutas et al.: Terahertz quantum sensing, Sci. Adv. 6, eaaz8065 (2020); DOI: 10.1126/sciadv.aaz8065
• Optische Technologien und Photonik (G. von Freymann), FB Physik, Technische Universität Kaiserslautern
• Abt. Materialcharakterisierung und -prüfung (G. von Freymann), Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik, Kaiserslautern