15.04.2020

Temperaturgesteuerte Terahertzquelle

Neuartiger Emitter von Terahertzstrahlung beruht auf inversem Spin-Hall-Effekt.

Forscher der Universitäten Augsburg und Münster haben einen neuartigen Emitter zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung vorgestellt, der sich durch Variation der Temperatur an- oder abschalten lässt. In Zukunft könnte sie möglicherweise den Bau von Strahlenquellen höherer Intensität ermöglichen. Das Interesse an solchen Emittern ist groß: Mit Terahertz-Strahlung lassen sich beispielsweise Fehler in Materialien sichtbar machen, Waffen unter der Kleidung detektieren oder Haut­krebszellen aufspüren.
 

Abb.: Schemazeichnung des neuartigen Emitters (Bild: Appl. Phys. Lett.)
Abb.: Schemazeichnung des neuartigen Emitters (Bild: Appl. Phys. Lett.)

Terahertz-Strahlen lassen sich nur sehr aufwändig mit Lasern oder einer Antenne erzeugen. Terahertz-Quellen sind deshalb vergleichsweise ineffizient und teuer. Vor einigen Jahren haben Physiker der Freien Universität Berlin jedoch eine alternative Methode vorgestellt, Terahertz-Strahlung zu erzeugen. Sie ermöglicht den Bau sehr viel kompakterer und kosten­günstigerer Emitter. Ein Forscherteam um Professor Manfred Albrecht von der Universität Augsburg und Professor Rudolf Bratschitsch von der Universität Münster hat dieses Verfahren nun weiter­entwickelt. 

Kern des neuen Konzepts ist ein spintronischer Emitter – ganz ähnlich wie der, der ursprünglich in Berlin entworfen wurde. In seiner Grundversion besteht er aus zwei aufeinander­liegenden extrem dünnen Metall-Schichten, von denen eine magnetisch ist. Mit ultrakurzen Laserpulsen kann man einem Teil der Elektronen in der magnetischen Schicht gewissermaßen einen Schubs versetzen, so dass sie zu wandern beginnen. Einige von ihnen treten dabei in die nicht-magnetische Schicht ein. „Dort kommt es dann zum inversen Spin-Hall-Effekt“, erklärt Mario Fix, der in der Arbeitsgruppe von Manfred Albrecht am Lehrstuhl für Experimental­physik IV der Universität Augsburg promoviert. „Er sorgt dafür, dass die Elektronen abgelenkt werden – in welche Richtung, hängt dabei von ihrem Spin ab.“ Der ultrakurze Strompuls, der dabei entsteht, geht mit der Emission einer Terahertz-Welle einher.

Dieser Mechanismus ist bereits seit einigen Jahren bekannt. Die Physiker der Universitäten Augsburg und Münster haben das Metall-Sandwich nun erweitert. „Unser Emitter hat fünf Schichten, die jeweils nur wenige Millionstel Millimeter dick sind“, sagt Mario Fix. „Zwei von ihnen sind magnetisch, die drei anderen nicht.“ 

Der besondere Clou liegt in den Materialien, die die Forscher für die beiden magnetischen Schichten verwandten. Zum Einsatz kamen dabei Gadolinium-Eisen-Legierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Diese unterscheiden sich unter anderem in der Ausrichtung der Spins voneinander, die die Elektronen des Eisens haben: Bei hohen Temperaturen zeigen die Spins dieser beweglichen Elektronen in beiden magnetischen Schichten in die gleiche Richtung. Bei tieferen Temperaturen richten sie sich dagegen entgegengesetzt aus.

„Das sorgt dafür, dass bei tiefen Temperaturen die Ströme, die durch den inversen Spin-Hall-Effekt entstehen, dieselbe Richtung haben“, erklärt Fix. Sie verstärken sich also gegenseitig: Die Intensität der abgegebenen Terahertz-Strahlung steigt. Wird die Temperatur dagegen über eine bestimmte Grenze erhöht, ändert ein Teil der Ströme seine Richtung und hebt dadurch die Wirkung der anderen nahezu auf: Die Strahlungsintensität sinkt erheblich. Der Emitter kann somit über Änderung der Temperatur kontrolliert werden.

Prinzipiell sollten sich mit dem gezeigten Konzept stärkere Strahlenquellen bauen lassen. Jedoch geht es in der Studie zunächst einmal um den Nachweis, dass das Verfahren überhaupt funktioniert. Die Wissenschaftler wollen nun daran gehen, die Strahlen-Intensität durch eine geschickte Auswahl der verwandten Metalle und die Variation ihrer Schichtdicken weiter zu erhöhen.

U. Augsburg / DE

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