Schneller Detektor für riesigen Wellenlängenbereich

Für gepulste Laser im fernen Infrarot, dem sogenannten Terahertz-Bereich, haben Wissenschaftler im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) einen robusten und schnellen Detektor konzipiert, der mit hoher Genauigkeit die Ankunft eines Terahertz-Pulses messen kann. Mit den in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ (DOI: 10.1002/chem.201204101) publizierten Ergebnissen liefern die Forscher zugleich eine Bauanleitung für ihren Detektor.

Jeder einzelne Puls vom Freie-Elektronen-Laser (FEL) im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf besteht aus unzähligen Lichtteilchen. Für viele Experimente ist es extrem wichtig, die genaue Ankunftszeit dieser Lichtpulse zu kennen. Die Zeitdauer zwischen den nur zehn Pikosekunden, also zehn billionstel Sekunden, kurzen Lichtblitzen beträgt allerdings lange 77.000 Pikosekunden. Auf räumliche Größenvorstellungen übertragen entspräche die Distanz zwischen zwei Pulsen knapp acht Kilometer. Diese Strecke gilt es zu durchsuchen, um die Ankunftszeit eines Lichtpulses, der in diesem Vergleich gerademal einen Meter lang wäre, zu bestimmen.

Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Regensburg gelang es dem Physiker Martin Mittendorff und seinen Kollegen vom HZDR, einen zuverlässigen Detektor für die Zeitmessung an Freie-Elektronen-Lasern im Terahertz-Bereich zu entwickeln, zu bauen und zu testen. Diese Technik kann an allen vergleichbaren FELs eingesetzt werden. Sie basiert auf einer winzig kleinen Flocke aus Graphen, einem Material, um das ein regelrechter Forschungsboom entstanden ist seit seine Entdeckung im Jahr 2010 mit einem Nobelpreis belohnt wurde.

Die Liste der Anwendungen des für neue Technologien wie geschaffenen Werkstoffs – einer Schicht aus Kohlenstoff, die genau eine Atomlage dick ist – wird dabei immer länger. Graphen ist zugleich dünn, transparent und stabil, es kann Licht im unsichtbaren Infrarotbereich absorbieren, und die Elektronen können sich sehr schnell durch das Material bewegen.

„Die Eigenschaft des Graphens, Lichtteilchen in einem sehr großen Wellenlängenbereich zu absorbieren, war die Voraussetzung für unseren robusten und auch bei Zimmertemperatur einsatzbereiten Detektor. Die große Beweglichkeit der Elektronen im Graphen ermöglicht dabei die hohe Schnelligkeit“, erläutert Martin Mittendorff vom HZDR. Um die Lichtpulse auf die kaum bleistiftspitzengroße Flocke zu lenken, wird zudem eine spezielle Antenne benötigt. Nachdem das Detektor-Konzept feststand, fertigte der Physiker Josef Kamann in der Arbeitsgruppe von Professor Dieter Weiss an der Universität Regensburg den ersten Prototypen. Bei allen Tests am Freie-Elektronen-Laser des HZDR erwies sich der Detektor als schnell und beständig.

Bislang war die Abstimmung der Laserpulse mit Schwierigkeiten verbunden, da es keine einfachen und schnellen Detektoren für FEL-Strahlung im Terahertz-Bereich gab. Insbesondere sind die meisten schnellen Detektoren auf einen engen Wellenlängenbereich limitiert und nicht, wie der Detektor auf Graphen-Basis aus dem HZDR, für große Teile des mittleren und fernen Infrarotbereichs einsetzbar. Martin Mittendorff und seine Kollegen arbeiten nun an einer Weiterentwicklung ihres Systems, das einen noch größeren Wellenlängenbereich abdecken soll, angefangen von ultraviolettem Licht bis hin zum fernen Infrarot.

Vor allem bei sogenannten Pump-Probe-Experimenten profitieren die Forscher enorm von dem neuen Gerät, denn hierfür benötigen sie Licht aus zwei unterschiedlichen Laserquellen, die sie supergenau aufeinander abstimmen müssen. Soll beispielsweise ein vielversprechender Halbleiter für optoelektronische Anwendungen optimiert werden, so kann man die Elektronen darin mit einem ersten Laser anregen und danach mit einem zweiten Laser beobachten, wie schnell sie aus dem angeregten Energiezustand in den Ursprungszustand zurückkehren. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten für das neu entwickelte Detektorsystem bietet das ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen in Rossendorf, denn hier sind unter einem Dach zwei Freie-Elektronen-Laser (FELBE) mit Terahertz- bzw. Infrarotstrahlung sowie die neuartige TELBE-Quelle vereint, die den im HZDR verfügbaren Spektralbereich der Terahertz-Strahlung in den nächsten Jahren erheblich erweitern soll.

Die Forschungsarbeiten im HZDR und an der Universität Regensburg werden unter anderem im Schwerpunktprogramm „Graphen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert.

Publikation:
M. Mittendorff, S. Winnerl, J. Kamann, J. Eroms, D. Weiss u.a., Utrafast graphene-based broadband THz detector, in: Applied Physics Letters 103, 021113 (2013), DOI-Link: 10.1063/1.4813621
Weitere Informationen:
_Martin Mittendorff
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung im HZDR
Tel.: 0351 260 – 3522 | m.mittendorff@hzdr.de
_Josef Kamann
Institut für Experimentelle und Angewandte Physik an der Universität Regensburg
Tel.: 0941 943 – 2186 | josef.kamann@physik.uni-regensburg.de
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Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) forscht auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. Folgende Fragestellungen stehen hierbei im Fokus:
• Wie nutzt man Energie und Ressourcen effizient, sicher und nachhaltig?
• Wie können Krebserkrankungen besser visualisiert, charakterisiert und wirksam behandelt werden?
• Wie verhalten sich Materie und Materialien unter dem Einfluss hoher Felder und in kleinsten Dimensionen?

Zur Beantwortung dieser wissenschaftlichen Fragen werden Großgeräte mit einzigartigen Experimentiermöglichkeiten eingesetzt, die auch externen Nutzern zur Verfügung stehen.

Das HZDR ist seit 2011 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands. Es hat vier Standorte in Dresden, Leipzig, Freiberg und Grenoble und beschäftigt rund 1.000 Mitarbeiter – davon ca. 450 Wissenschaftler inklusive 160 Doktoranden.