Terahertzstrahlung: Eine Quelle für sichere Lebensmittel

Terahertzwellen liegen im elektromagnetischen Spektrum im Frequenzbereich von etwa 0,3 bis 30 Terahertz – zwischen den Mikrowellen und dem infraroten Licht. Sie sind für die Analyse von organischem Material nützlich, weil sie etwa Textilien und Kunststoffe durchdringt, andererseits von vielen Pharmaka auf charakteristische Weise absorbiert wird. Anders als etwa Röntgenstrahlen sind Terahertzstrahlen zudem gesundheitlich unbedenklich.

Eine große Bandbreite für die Lebensmittel- und Pharmaindustrie

„Durch unseren Ansatz, Terahertzstrahlung zu erzeugen, werden Anwendungen möglich, für die solche Quellen bislang zu teuer waren“, sagt Tobias Kampfrath, Leiter der Terahertz-Physik-Forschungsgruppe am Fritz-Haber-Institut, die bei der Entwicklung des Konzeptes federführend war.

Die Terahertzquelle, die sein Team und ihre Partner in Mainz, Greifswald und Jülich sowie in den USA, Schweden und Frankreich nun vorstellen, erzeugt erstmals mit relativ wenig Aufwand die gesamte Bandbreite an Terahertzstrahlung.

Das ist vor allem für die Kontrolle von Lebensmitteln und Medikamenten nützlich, weil Analysen über den gesamten Terahertzbereich hinweg auf mehr Stoffe ansprechen und daher aussagekräftigere Resultate liefern. Derzeit sind Apparate, die das gesamte Spektrum der Terahertzstrahlung erzeugen, noch teuer und groß, weil sie mit sehr leistungsstarken Lasern betrieben werden.

„Unser Emitter erzeugt das gesamte Spektrum von 1 bis 30 Terahertz und eignet sich dabei auch für Tischgeräte. Außerdem ist er energieeffizienter, einfacher zu bedienen und kostengünstiger in der Herstellung als bisherige Quellen“, sagt Tom Seifert, Doktorand am Fritz-Haber-Institut. „Wir erwarten, dass er rasch und breit eingesetzt wird.“

Ein kurzer Stromstoß macht eine metallische Doppelschicht zur Antenne

Die Quelle nutzt einen kompakten Femtosekundenlaser, der 80 Millionen ultrakurze Lichtblitze pro Sekunde erzeugt. Der eigentliche Emitter, den der Laser anregt, ähnelt einer Solarzelle. Er besteht allerdings aus einer magnetischen und einer nicht-magnetischen Metallschicht, die jeweils nur drei Nanometer dick sind und auf einem Glasträger aufgebracht sind. Wenn ein ultrakurzer Laserblitz auf das Material trifft, erzeugt er einen Stromstoß, so dass die metallische Doppelschicht zu einer Sendeantenne für elektromagnetische Wellen mit Terahertzfrequenzen wird.

„Der Emitter funktioniert so gut, weil wir zusätzlich zur Ladung der Elektronen auch ihren Spin nutzen“, sagt Tom Seifert. Der Spin ist eine magnetische Eigenschaft der Elektronen und bewirkt, dass sich Strom in magnetischen Metallen anders verhält als in nichtmagnetischen. Das Laserlicht mobilisiert in der magnetischen Schicht zunächst unterschiedlich viele Elektronen der beiden möglichen Spin-Orientierungen. Die Ladungsträger fließen dann in die nicht-magnetische Schicht.

Dort werden sie abhängig von ihrem Spin in entgegengesetzte Richtungen abgelenkt. So entsteht ein Strom senkrecht zur ursprünglichen Bewegungsrichtung der Elektronen. Genau dieser Stromstoß erzeugt dann den Terahertz-Impuls. Da der metallische Doppelfilm extrem dünn ist, wird die elektromagnetische Strahlung auf ihrem Weg aus dem Metall kaum abgeschwächt, wie es in einer dickeren Schicht der Fall wäre.

TK/PH

Kontakt:
Dr. Tobias Kampfrath
Fritz-Haber-Institut der MPG
Mail: kampfrath@fhi-berlin.mpg.de
Tel.: +49 30 8413-5222

Originalveröffentlichung:
Efficient metallic spintronic emitters of ultrabroadband terahertz radiation
T. Seifert, S. Jaiswal, U. Martens, J. Hannegan, L. Braun, P. Maldonado, F. Freimuth, A. Kronenberg, J. Henrizi, I. Radu, E. Beaurepaire, Y. Mokrousov, P. M. Oppeneer, M. Jourdan, G. Jakob, D. Turchinovich, L. M. Hayden, M. Wolf, M. Münzenberg, M. Kläui und T. Kampfrath,
Nature Photonics, 23. Mai 2016; DOI: 10.1038/NPHOTON.2016.91