Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Neue Technik: Physiker erzeugen Terahertz-Wellen mit Spin-Stromfluss

01.02.2018

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 (TUK) haben nun ein neues Verfahren entwickelt, um solche Wellen zu erzeugen. Dazu nutzen sie einen quantenmagnetischen Stromfluss, einen sogenannten Spinstrom, in magnetischen Metall-Nanostrukturen. Die kostengünstige und materialsparende Technik könnte etwa in der Industrie Anwendung finden. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht.

Terahertz (THz)-Wellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Für das menschliche Auge sind sie nicht sichtbar. Da sie energiearm sind, sind sie für die Gesundheit unbedenklich.


Die Abbildung zeigt, wie die Technik funktioniert: Die Laserpulse treffen auf die Nanostruktur, in der es zur Umwandlung von Spinstrom zu THz-Wellen kommt. Eine kleine Linse bündelt die Wellen.

Foto: Papaioannou


Das Team um Juniorprofessor Dr. Evangelos Papaioannou hat die neue Technik entwickelt.

Foto: TUK/Thomas Koziel

Heutzutage spielen sie unter anderem in der Medizin- und Kommunikationstechnik eine Rolle, aber auch bei der Materialprüfung. So kamen sie zum Beispiel zum Einsatz, um die Kunststoffisolierung am Space-Shuttle zu untersuchen. Allerdings bedarf es leistungsfähiger Strahlungsquellen, sogenannten Emittern, um die Wellen zu erzeugen. Dies ist meist mit hohem Energieaufwand und Kosten verbunden.

Ein sehr effizientes und gleichzeitig kostengünstigeres Verfahren haben nun Kaiserslauterer Forscher entwickelt: Sie nutzen dabei einen sogenannten Spinstrom. Dieser ist analog zum elektrischen Strom, bei dem elektrische Ladungen, nämlich Elektronen, fließen.

„Ein Spin bezeichnet den Eigendrehimpuls von Quantenteilchen wie zum Beispiel Elektronen“, sagt Juniorprofessor Dr. Evangelos Papaioannou, der am Lehrstuhl für Magnetismus bei Professor Dr. Burkard Hillebrands an der TUK 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 um Papaioannou 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, verwendet die Arbeitsgruppe um Juniorprofessor Papaioannou 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 der Forscher. Dieser Strom fließt in die danebenliegende Platinschicht.

Hier kommt es nun zu einem bestimmten physikalischen Phänomen, dem 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.

In ihrer nun veröffentlichen Arbeit 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.

Das Team um Papaioannou ist Teil des Landesforschungszentrums für Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS), welches vom Land Rheinland-Pfalz finanziert wird. An der Studie waren auch Professor Dr. René Beigang und Dr. Garik Torosyan vom Photonic Center Kaiserslautern beteiligt. Beide Forscher sind Experten auf dem Gebiet der Terahertz-Wellen.

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „SPIN+X“ sowie der Carl-Zeiss-Stiftung unterstützt. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht: „Optimized Spintronic Terahertz Emitters Based on Epitaxial Grown Fe/Pt Layer Structures“ DOI: 10.1038/s41598-018-19432-9

Fragen beantwortet:
Juniorprof. Dr. Evangelos Papaioannou
Tel.: 0631 205-4099
E-Mail: papaio(at)rhrk.uni-kl.de

Melanie Löw | Technische Universität Kaiserslautern
Weitere Informationen:
http://www.uni-kl.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Physiker kontrollieren Quantenbits mithilfe von Laserpulsen bei extrem tiefen Temperaturen
01.02.2018 | Universität des Saarlandes

nachricht Wie schwarze Löcher den Kosmos formen
01.02.2018 | Heidelberger Institut für Theoretische Studien gGmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hannover Messe 2018: Wasserschwert statt Laserschwert

Professur Werkzeugmaschinen und Umformtechnik der TU Chemnitz revolutioniert das Wasserstrahlschneiden – Firmenausgründung wird vorbereitet

„Steter Tropfen höhlt den Stein“ - das wussten schon die alten Griechen vor mehr als 2.000 Jahren. Jetzt haben Wissenschaftler der Technischen Universität...

Im Focus: New Technique: Physicists generate terahertz waves with spin current flow

Terahertz waves are often used in the checking of passengers and luggage at the airport. They are also in demand in other areas, such as for materials testing in the industry. Physicists at the University of Kaiserslautern (TUK) have now developed a new method for generating such waves. They use a quantum magnetic current flow, so-called spin current, in magnetic metal nanostructures. The cost-effective and material-saving technology has the potential for industry applications. The study was published in the renowned scientific journal "Scientific Reports".

Terahertz (THz) waves lie in the electromagnetic spectrum between microwaves and infrared radiation. They are invisible to the human eye. Since they are low in...

Im Focus: Neue Technik: Physiker erzeugen Terahertz-Wellen mit Spin-Stromfluss

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 (TUK) haben nun ein neues Verfahren entwickelt, um solche Wellen zu erzeugen. Dazu nutzen sie einen quantenmagnetischen Stromfluss, einen sogenannten Spinstrom, in magnetischen Metall-Nanostrukturen. Die kostengünstige und materialsparende Technik könnte etwa in der Industrie Anwendung finden. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht.

Terahertz (THz)-Wellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Für das menschliche Auge sind sie nicht sichtbar. Da...

Im Focus: Schneller Datenbrillen entwickeln

Das Fraunhofer FEP als Anbieter von Forschungs- und Entwicklungsdienstleistungen auf dem Gebiet der organischen Elektronik erweitert sein Angebot an Entwicklungswerkzeugen für Datenbrillen. Diese werden auf der embedded world 2018, vom 27. Februar bis 1. März 2018, in Nürnberg, in Halle 4, am Fraunhofer-Gemeinschaftsstand Nummer 4-460 vorgestellt.

Erweiterte Realität (Augmented Reality – AR) und Virtuelle Realität (VR) sind Themen, die immer mehr den Arbeitsalltag und das private Leben erobern. Die Zahl...

Im Focus: Develop data glasses faster

The Fraunhofer FEP, a provider of research and development services in the area of organic electronics, is expanding its array of development tools for data glasses. See them during the embedded world 2018 Exhibition and Conference in Hall 4 at the joint Fraunhofer Booth No. 460 in Nuremberg, Germany, February 27 to March 1, 2018.

Augmented Reality (AR) and Virtual Reality (VR) are technologies that are increasingly being integrated in both our private and working lives. The number of...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Digitalisierte Kindheit – Je früher, desto besser?

01.02.2018 | Veranstaltungen

Gerontologen und Altersmediziner: "Beim Kongress Neues ausprobieren und international vergleichen"

01.02.2018 | Veranstaltungen

Jahrestagung der Geophysiker in Leoben

01.02.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kameratechnologie in Fahrzeugen - Bilddaten latenzarm komprimiert

01.02.2018 | Messenachrichten

Automatisierung in der Landwirtschaft - Mit Leichtbau-Robotern auf Gurkenernte

01.02.2018 | Agrar- Forstwissenschaften

Mit nachwachsenden Rohstoffen Kunststoffe verstärken - Weniger Feuchte in Naturfasern

01.02.2018 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics