Terahertzstrahlung mit weniger Aufwand

Für die Kontrolle von Lebens­mitteln und Medi­kamenten könnte es künftig ein leistungs­fähiges und preiswertes Instrument geben. Wissen­schaftler des Berliner Fritz-Haber-Institutes der Max-Planck-Gesell­schaft haben mit nationalen und inter­nationalen Partnern eine neuartige Quelle für Terahertz­strahlung entwickelt. Somit wird es deutlich einfacher, diese Strahlung zu erzeugen, die sich gut zur Analyse weicher Materialien eignet und daher künftig vermehrt in der Lebensmittel- und Pharma­industrie Anwendung finden könnte.

Terahertz­wellen liegen im elektro­magnetischen Spektrum im Frequenz­bereich von etwa 0,3 bis 30 Terahertz – zwischen den Mikrowellen und dem infraroten Licht. Sie sind für die Analyse von organischem Material nützlich, weil sie etwa Textilien und Kunststoffe durchdringt, andererseits von vielen Pharmaka auf charak­teristische Weise absorbiert wird. Anders als etwa Röntgen­strahlen sind Terahertz­strahlen zudem gesund­heitlich unbedenklich.

„Durch unseren Ansatz, Terahertz­strahlung zu erzeugen, werden Anwendungen möglich, für die solche Quellen bislang zu teuer waren“, sagt Tobias Kampfrath, Leiter der Terahertz-Physik-Forschungs­gruppe am Fritz-Haber-Institut, die bei der Entwicklung des Konzeptes federführend war. Die Terahertzquelle, die sein Team und ihre Partner in Mainz, Greifswald und Jülich sowie in den USA, Schweden und Frankreich nun vorstellen, erzeugt erstmals mit relativ wenig Aufwand die gesamte Bandbreite an Terahertz­strahlung. Das ist vor allem für die Kontrolle von Lebens­mitteln und Medikamenten nützlich, weil Analysen über den gesamten Terahertzbereich hinweg auf mehr Stoffe ansprechen und daher aussage­kräftigere Resultate liefern. Derzeit sind Apparate, die das gesamte Spektrum der Terahertz­strahlung erzeugen, noch teuer und groß, weil sie mit sehr leistungs­starken Lasern betrieben werden.

„Unser Emitter erzeugt das gesamte Spektrum von 1 bis 30 Terahertz und eignet sich dabei auch für Tischgeräte. Außerdem ist er energieeffizienter, einfacher zu bedienen und kosten­günstiger in der Herstellung als bisherige Quellen“, sagt Tom Seifert, Doktorand am Fritz-Haber-Institut. „Wir erwarten, dass er rasch und breit eingesetzt wird.“

Die Quelle nutzt einen kompakten Femto­sekunden­laser, der 80 Millionen ultrakurze Lichtblitze pro Sekunde erzeugt. Der eigentliche Emitter, den der Laser anregt, ähnelt einer Solarzelle. Er besteht allerdings aus einer magne­tischen und einer nicht-magnetischen Metallschicht, die jeweils nur drei Nanometer dick sind und auf einem Glasträger aufgebracht sind. Wenn ein ultrakurzer Laser­blitz auf das Material trifft, erzeugt er einen Stromstoß, so dass die metallische Doppel­schicht zu einer Sende­antenne für elektro­magnetische Wellen mit Terahertz­frequenzen wird.

„Der Emitter funktioniert so gut, weil wir zusätzlich zur Ladung der Elektronen auch ihren Spin nutzen“, sagt Seifert. Das Laserlicht mobilisiert in der magnetischen Schicht zunächst unter­schiedlich viele Elektronen der beiden möglichen Spin-Orientierungen. Die Ladungs­träger fließen dann in die nicht-magnetische Schicht. Dort werden sie abhängig von ihrem Spin in entgegen­gesetzte Richtungen abgelenkt. So entsteht ein Strom senkrecht zur ursprüng­lichen Bewegungs­richtung der Elektronen. Genau dieser Stromstoß erzeugt dann den Terahertz-Impuls. Da der metallische Doppelfilm extrem dünn ist, wird die elektro­magnetische Strahlung auf ihrem Weg aus dem Metall kaum abgeschwächt, wie es in einer dickeren Schicht der Fall wäre.

MPG / JOL