Terahertz Durchbruch bei BESSY
Terahertz-Strahlung kann ähnlich wie Röntgenstrahlen Materie durchleuchten. Sie findet deshalb Interesse sowohl für Anwendungen bei Gepäck- und Personenkontrollen als auch für Untersuchungen von Supraleitern oder biologischer Organismen.
Jedoch war die bisher erzeugte THz-Stahlung zu schwach oder zu instabil, insbesondere für spektroskopische Anwendungen, da die THz-Wellen nicht in gleicher Phase, also inkohärent, waren. Einem Wissenschaftlerteam der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY in Berlin ist es nun gelungen breitbandige, kohärente THz-Stahlung im stabilen Dauerbetrieb zu erzeugen, die sich hervorragend für die Spektroskopie eignet. BESSY ist damit die einzige Speicherring-basierte THz-Quelle in der Welt (Phys. Rev. Lett 90; 094801, 2003).
Synchrotronstrahlung entsteht, wenn Pakete geladener Partikel, in der Regel Elektronen, die annähernd auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wurden, durch starke magnetische Felder auf eine kreisförmige Bahn gezwungen werden. Die Wellenlängen der erzeugten Strahlung reichen von der niederenergetischen Fern-Infrarot- bis zur energiereichen Röntgenstrahlung. Terahertz-Strahlung (THz = 1012 Hz) liegt am niederenergetischen Ende des Spektrums und entspricht Wellenlängen zwischen 1 Millimeter und 150 Mikrometer.
Synchrotronstrahlung ist normalerweise inkohärent, weil die Elektronenpakete – die jeweils Milliarden Elektronen enthalten – länger sind, als die Wellenlängen des Lichts, das sie abstrahlen. Wenn jedoch die Pakete viel kürzer gemacht würden, sollten die Elektronen ihr Licht in Phase emittieren. Die Strahlung wäre dann kohärent. Die Länge der Elektronpakete im Elektronspeicherring BESSY II beträgt gewöhnlich ungefähr 5 Millimeter, zu lang, kohärente Terahertz-Strahlung zu produzieren.
Das BESSY-Team stellte deshalb die magnetischen Felder im Speicherring so ein, dass in einem speziellen, so genannten „Low-Alpha“ Modus, die Länge der Pakete mit der Wellenlänge der Terahertz-Strahlung vergleichbar ist. Die Elektronen in jedem Paket verhalten sich jetzt wie ein riesiges Partikel und emittieren kohärente Terahertz-Strahlung. Dadurch wird die Intensität der Strahlung auf das 100,000 fache erhöht.
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Dr. Markus Sauerborn
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