Forschung & Entwicklung

Temperaturabhängige Erzeugung von Terahertzstrahlung

Ein neuartiger Emitter zur Erzeugung von Terahertzstrahlung lässt sich durch Variation der Temperatur an- oder abschalten. Dies könnte zukünftig den Bau von Strahlenquellen höherer Intensität ermöglichen.

Terahertzstrahlen lassen sich nur sehr aufwendig mit Lasern oder einer Antenne erzeugen. Vor einigen Jahren haben Physiker der Freien Universität Berlin jedoch eine alternative Methode vorgestellt, Terahertzstrahlung 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 so genannter spintronischer Emitter – ganz ähnlich wie der, der ursprünglich in Berlin entworfen wurde. In seiner Grundversion besteht er aus zwei aufeinanderliegenden extrem dünnen Metallschichten, von denen eine magnetisch ist. Mit ultrakurzen Laserpulsen kann man einem Teil der Elektronen in der magnetischen Schicht gewissermaßen einen Schubs versetzen, sodass sie zu wandern beginnen. Einige von ihnen treten dabei in die nicht magnetische Schicht ein. „Dort kommt es dann zum sogenannten inversen Spin-Hall-Effekt“, erklärt Mario Fix vom Lehrstuhl für Experimentalphysik IV der Universität Augsburg. „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 Terahertzwelle 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. Sie verstärken sich also gegenseitig: Die Intensität der abgegebenen Terahertzstrahlung 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 Strahlenintensität durch eine geschickte Auswahl der Metalle und die Variation ihrer Schichtdicken weiter zu erhöhen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[M. Fix, R. Schneider, J. Bensmann, S. Michaelis de Vasconcellos, R. Bratschitsch, M. Albrecht, Thermomagnetic control of spintronic THz emission enabled by ferrimagnets, Appl. Phys. Lett. 116 (2020), DOI: 10.1063/1.5132624]

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