Terahertz-Quelle nutzt Spinstrom
Stromfluss in magnetischen Nanostrukturen ermöglicht eine günstige und materialsparende Anwendung.
Um Passagiere und Gepäck am Flughafen zu durchleuchten, kommen oft Terahertz-Wellen zum Einsatz. Auch in anderen Bereichen, etwa bei der Materialprüfung in der Industrie, sind sie gefragt. Physiker der Technischen Universität Kaiserslautern haben nun ein neues Verfahren entwickelt, um solche Wellen zu erzeugen. Dazu nutzen sie einen quantenmagnetischen Stromfluss, einen Spinstrom, in magnetischen Metall-Nanostrukturen. Die kostengünstige und materialsparende Technik könnte etwa in der Industrie Anwendung finden.
Abb.: Die Laserpulse treffen auf die Nanostruktur, in der es zur Umwandlung von Spinstrom zu Terahertz-Wellen kommt. Eine kleine Linse bündelt die Wellen. (Bild: E. Papaioannou)
„Ein Spin bezeichnet den Eigendrehimpuls von Quantenteilchen wie zum Beispiel Elektronen“, sagt Evangelos Papaioannou, der am Lehrstuhl für Magnetismus im Fachbereich Physik forscht. „Er bildet die Grundlage für alle magnetischen Phänomene. Vereinfacht gesagt dreht sich ein Elektron wie ein Kreisel links- oder rechtsherum um seine Achse.“ Für die Technik hat das Team eine spezielle Nanostruktur entwickelt. „Sie besteht aus einer Metall-Doppelschicht aus dem magnetischen Eisen und dem nichtmagnetischen Platin“, beschreibt der Physiker den Aufbau der Struktur. „Dabei handelt es sich um hauchdünne Schichten, die nur wenige Nanometer dick sind.“
Um die Terahertz-Wellen zu erzeugen, verwendeten die Forscher einen Femtosekundenlaser, der äußerst kurze Laserpulse aussendet. In der Folge passiert nun Folgendes: „Die Pulse treffen auf die Nanostruktur. Hier regen sie im Eisen die Elektronen an, wodurch ein Spinstrom entsteht“, so Papaioannou. Dieser Strom fließt in die danebenliegende Platinschicht. Hier kommt es nun zum inversen Spin-Hall-Effekt. Für Platin ist dieser Effekt schon länger bekannt. Er entsteht aufgrund der atomaren Struktur des Metalls. „Die Atomkerne von Platin lenken Elektronen mit links- und rechtsdrehendem Spin in entgegengesetzte Richtungen ab, was zur Umwandlung des Spinstroms in einen ultraschnellen Ladungsstrom führt, der dann die Quelle der Terahertz-Wellen ist“, sagt Papaioannou.
Als Besonderheit des Versuchsaufbaus ist auf der Struktur eine kleine Linse aus Silizium angebracht. „Damit bündeln wir die Wellen“, so der Juniorprofessor weiter. Auf diese Weise könnten die Terahertz-Wellen bei künftigen Anwendungen einfach und effizient weitergeleitet werden. Nun haben die Forscher unter anderem untersucht, wie die Schichtdicken und die Anordnung der Materialien am besten gestaltet sein müssen, um die THz-Wellen zu erzeugen.
Das Forschungsgebiet der THz-Spintronik-Technik ist noch recht neu. Erst letztes Jahr haben Berliner Forscherkollegen erstmals gezeigt, dass sich Terahertz-Wellen mittels Spinstrom erzeugen lassen. Die Arbeit der Kaiserslauterer Forscher zeigt nun, wie die Strahler so optimiert werden können, dass sie ihre maximale Effizienz erreichen können. Dies macht sie kostengünstiger und für verschiedene Anwendungsfelder interessant, beispielsweise für Sicherheitstechniken, Materialprüfung und Informationstechnologien, aber auch für die Grundlagenforschung.
TUK / JOL
