Terahertz-Quellen im Miniaturformat

Einen neuen, einfachen Ansatz zum Erzeugen von Terahertz-Strahlen haben Forscher der Uni Halle-Wittenberg und der FU Berlin entwickelt. Mit Hilfe starker optischer Laserpulse lassen sich elektro­magnetische Terahertz-Felder direkt an der gewünschten Stelle generieren, wie das Team berichtet. Die Einsatz­möglich­keiten von Terahertz-Strahlung sind vielfältig, sie reichen von der Werkstoff­prüfung über die Kommuni­ka­tions- bis hin zur Sicher­heits­technologie.

„Terahertz-Strahlung wirkt nicht ionisierend und ist damit im Gegensatz zur Röntgen­strahlung gesund­heit­lich unbedenklich. Sie wird zum Beispiel in den Personen­scannern auf Flughäfen verwendet“, erklärt Georg Woltersdorf von der Uni Halle-Wittenberg. Bislang lässt sich die Strahlung nur mit komplexen Anlagen erzeugen, weshalb sie in der Forschung noch nicht sehr häufig zum Einsatz kommt. Gemeinsam mit Forschern der FU Berlin arbeitete das Team von Woltersdorf an einem neuen Ansatz. „Unsere Idee ist es, diesen Prozess im Miniatur­format umzusetzen und die Strahlung genau an der Stelle zu erzeugen, an der sie gebraucht wird – zum Beispiel direkt auf einem elektronischen Chip“, sagt Woltersdorf.

Für ihre Experimente nutzten die Forscher einen Hoch­leistungs­laser, der Lichtpulse mit einer Pulsdauer von etwa 250 Femto­sekunden erzeugt. Diese extrem kurzen optischen Pulse wurden dann auf eine magnetische Nano­struktur gelenkt, um die darin befind­lichen Elektronen anzuregen. „Dadurch lässt sich ein intensiver Spin-Strompuls erzeugen“, erklärt Woltersdorf. Dieser wird durch den inversen Spin-Hall-Effekt zu einem Terahertz-Strompuls umgewandelt.

So entsteht die gewünschte Terahertz-Strahlung auf dem Chip und kann direkt in Leiter­bahnen einge­koppelt und verwendet werden. „Außerdem lässt sich die Polarität des Stroms durch ein äußeres Magnetfeld einstellen. Das war bislang nicht möglich“, betont Woltersdorf. Die Anwendungs­möglich­keiten dieser Miniatur-Terahertz-Quelle reichen von der Forschung über die Hoch­frequenz­elektronik und die Medizin bis hin zur Material­prüfung oder der Kommunikations­technologie.

MLU / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  W. Hoppe et al.: On-Chip Generation of Ultrafast Current Pulses by Nanolayered Spintronic Terahertz Emitters, ACS Appl. Nano Mat. 4, 7454 (2021); DOI: 10.1021/acsanm.1c01449
• FG Optik (G. Woltersdorf), Institut für Physik, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
• Terahertz Physics Group, Institut für Physik, Freie Universität Berlin