Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Rekordtemperatur für Quantenkaskadenlaser

22.04.2014

Um die kalte Materie des interstellaren Mediums sichtbar zu machen, brauchen Astronomen Instrumente zum Detektieren von Terahertzstrahlung.

In bestimmten Fällen kommen dabei Terahertz-Quantenkaskadenlaser zum Einsatz, welche jedoch nur bei tiefen Temperaturen funktionieren. Physiker des Paul-Drude-Instituts (PDI) haben jetzt einen Terahertz-Quantenkaskadenlaser entwickelt, der bei wesentlich höheren Temperaturen arbeitet als es bisher möglich war. Die neue Entwicklung ermöglicht den Betrieb in deutlich kompakteren Kühlsystemen und reduziert so auch die Hürde für viele weitere Anwendungen.


Auf einer Wärmesenke montierter Laser-Chip. Rings um den Chip befindet sich ein U-förmiges Leiterplättchen, über das die elektrische Verbindung mit den Zuleitungsdrähten hergestellt wird. Foto: PDI


Chip mit neun Terahertz-Quantenkaskadenlasern mit unterschiedlichen Gitterperioden. Im oberen und rechten Teil der Abbildung sind die Golddrähtchen, durch die die Laser elektrisch kontaktiert werden. Foto: PDI

Die Wellenlängen von Terahertzstrahlung liegen im Bereich zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Sie durchdringt zahlreiche Materialien wie Kunststoff und Kleidung, gleichzeitig ist sie aufgrund ihrer geringen Energie nicht ionisierend, und für den Menschen ungefährlich. Somit ist sie gut geeignet zur zerstörungsfreien Materialprüfung oder für Sicherheitschecks an Flughäfen. Es gibt jedoch eine Reihe weiterer Anwendungen.

In der Astronomie liefert Terahertzstrahlung neue Erkenntnisse, wenn es sich um sogenannte kalte Materie handelt. Diese emittiert kein sichtbares Licht wie die Sterne, sondern Strahlen im Infrarot- bis in den Mikrowellen-Bereich. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) misst innerhalb des SOFIA-Projekts diese Emissionslinien mit hoher Präzision.

Aufgrund der Dopplerverschiebung der Frequenzen können die Forscher bestimmen, mit welcher Geschwindigkeit sich die kalte Materie in der Galaxie bewegt. Um die Absorption durch Wasser in der Erdatmosphäre möglichst gering zu halten, werden die Messungen vom Flugzeug aus durchgeführt. Ein wesentliches Element des Messgerätes sind am PDI entwickelte Quantenkaskadenlaser, die im Terahertz-Bereich strahlen.

In einem von der Investitionsbank Berlin geförderten Projekt haben die Forscher einen kompakten Quantenkaskadenlaser entwickelt. Partner des Projekts waren neben dem PDI das Ferdinand-Braun-Institut, die Humboldt-Universität, das DLR und die Adlershofer Firma Eagleyard.

„Ein Problem der Laser ist, dass sie nur bei sehr niedrigen Temperaturen betrieben werden können, im Dauerstrichbetrieb – also im kontinuierlichen Betrieb – in der Regel sogar nur unterhalb der Temperatur von flüssigem Stickstoff“, erklärt Dr. Martin Wienold vom PDI – das entspricht 77 Kelvin bzw. –196 Grad Celsius. „Wir haben einen neuen Rekord aufgestellt: Unser Laser funktioniert bis zu einer Höchsttemperatur von 129 Kelvin (–144 Grad Celsius), wobei der bisherige Rekord um mehr als 10 Grad übertroffen wird.“

Das ist zwar immer noch ziemlich kalt, „aber wir können jetzt deutlich kleinere mechanische Kühlsysteme einsetzen, auch dank einer wesentlich reduzierten Verlustleistung. Damit können Systeme auf Basis von Terahertz-Quantenkaskadenlasern in Zukunft noch kompakter ausgelegt werden – ein wichtiger Punkt für Flugmissionen wie SOFIA“, betont Wienold. 

Die Physiker des PDI haben die hohe Betriebstemperatur erreicht, indem sie ein Schichtdesign entwickelt haben, das nur eine sehr geringe Verlustleistung hat. Der Laserstreifen ist nur 10 bis 15 Mikrometer hoch und 15 Mikrometer breit, bei einer Wellenlänge von etwa 100 µm. Eingeschlossen ist das aktive Gebiet von zwei Metallschichten, die nahezu perfekte Spiegel für Terahertzstrahlung sind. So ergibt sich durch die Konstruktion eine geringe Verlustleistung und gleichzeitig ein Betrieb bei geringer Stromdichte und -spannung.

Es ergab sich aber noch ein ganz anderes Problem, schildert Martin Wienold: „Wir konnten damit zwar eine relativ hohe Betriebstemperatur erreichen, die starke räumliche Beschränkung führte aber zu einem extrem divergenten Strahlprofil.“ Lösen konnten die Physiker es mit einem Konzept aus den Anfangszeiten des Rundfunks, bei dem es um das Ausrichten von Antennenleistung ging. Ein auf den Laser aufgeprägtes Gitter – ein sogenanntes Gitter dritter Ordnung – wirkt wie eine Richtantenne und bündelt die Laserstrahlung. „Wir arbeiten daran, noch höhere Temperaturen zu erreichen“, berichtet Martin Wienold, und ergänzt: „Zimmertemperatur zu erreichen wird aber schwierig – da gibt es physikalische Grenzen.“

Quantenkaskadenlaser:

Quantenkaskadenlaser unterscheiden sich von herkömmlichen Diodenlasern durch ihren Aufbau und die physikalischen Vorgänge, die sich in ihnen abspielen. Normale Diodenlaser senden Licht aus, wenn sich ein Elektron aus dem Leitungsband mit einem Loch im Valenzband wiedervereint. Bei der Rekombination sendet das Elektron ein Photon mit genau der Energie der Bandlücke aus. Da die Bandlücke durch das verwendete Halbleitermaterial bestimmt wird, wird die Wellenlänge des Lichtes, die ein Diodenlaser abstrahlt, durch das Material festgelegt.

Bei Quantenkaskadenlasern verlässt das Elektron nicht das Leitungsband, sondern der Laserübergang findet zwischen zwei Subbändern innerhalb des Leitungsbandes statt. Dieses Verhalten wird durch sich abwechselnde sehr dünne Halbleiterschichten erreicht, wodurch sich im Leitungsband sogenannte Potentialtöpfe ausbilden. Das Elektron bewegt sich nun im angelegten elektrischen Feld von einem energetisch höher gelegenen Potentialtopf zu einem energetisch niedriger gelegenen Potentialtopf innerhalb des Leitungsbandes, und zwar durch den quantenmechanischen Tunneleffekt. Das Elektron purzelt also von Potenzialtopf zu Potenzialtopf, so als würde es die Treppe herunter fallen.

Originalveröffentlichung:
Optics Express, DOI: 10.1364/OE.22.003334

Kontakt:
Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI)
Prof. Dr. Holger Grahn
Tel.: (030) 20377 318
htgrahn@pdi-berlin.de

Das Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) gehört zum Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.

Weitere Informationen:

http://www.pdi-berlin.de
http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-22-3-3334 - Originalveröffentlichung

Gesine Wiemer | Forschungsverbund Berlin e.V.

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Waschen für die Mikrowelt – Potsdamer Physiker entwickeln lichtempfindliche Seife
02.12.2016 | Universität Potsdam

nachricht Quantenreibung: Jenseits der Näherung des lokalen Gleichgewichts
01.12.2016 | Forschungsverbund Berlin e.V.

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: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie