Eine neue Liga für Terahertz-Lichtquellen

Mit Wellenlängen zwischen 0,03 und drei Millimetern handelt es sich bei Terahertz-Licht um Wärmestrahlung im fernen und mittleren Infrarot-Bereich. Wie jede Strahlung im elektromagnetischen Spektrum, besteht auch Terahertz-Strahlung aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern.

Seit einigen Jahren werden starke Laserpulse im Terahertz-Regime erfolgreich an sogenannten Hochfeld-Terahertz-Quellen erzeugt. Damit sind neuartige Experimente mit besonders hohen magnetischen und elektrischen Feldstärken der Terahertz-Strahlung möglich.

In den Lebenswissenschaften könnten Hochfeld-Quellen für ungeahnte Einblicke in die Struktur und Dynamik von Proteinen sorgen, ihre Vorteile kommen aber auch in den Materialwissenschaften zum Tragen. Hohe Terahertz-Felder können Materialien gezielt und selektiv beeinflussen, indem sie exotische Materiezustände erzeugen.

Diese existieren zwar oft nur für ultrakurze Zeitspannen von einer billionstel Sekunde, sie könnten aber zu einem besseren Verständnis von ungeklärten Phänomenen wie etwa der Hochtemperatur-Supraleitung beitragen. Das Problem: Bisher verfügbare Terahertz-Quellen haben für viele Untersuchungen ungeeignete Parameter, also beispielsweise nur sehr niedrige Wiederholraten.

Mehr Pulse pro Sekunde – neue Möglichkeiten

Gemeinsam mit Kollegen von Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY und European XFEL in Hamburg, SLAC National Accelerator Laboratory in Stanford (USA) und Karlsruher Institut für Technologie KIT konnte die Terahertz-Arbeitsgruppe um HZDR-Physiker Dr. Michael Gensch nun zeigen, dass sich bereits mit einem sehr kompakten Beschleuniger kurze und starke Terahertz-Pulse mit unerreicht hohen Wiederholraten erzeugen lassen.

„Dadurch werden zahlreiche Experimente möglich, von denen Wissenschaftler weltweit bisher nur träumen konnten“, so Dr. Gensch. „Wir diskutieren derzeit mit unseren Pilotnutzern, welche Techniken wir am TELBE-Prototyp etablieren sollen, um die Parameter optimal auszunutzen.“

Hohe Terahertz-Felder bringen Elektronenspins zum Pendeln

Die nun publizierten Resultate sind das Ergebnis einer mehrjährigen Zusammenarbeit von Beschleunigerphysikern, Laserexperten und Material- und Lebenswissenschaftlern. Ihr Ziel: Eine Prototyp-Anlage am ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen des HZDR zu entwickeln, die von Beginn an für viele Forschungsbereiche exzellente Experimentiermöglichkeiten bietet. Im aktuellen Pilotexperiment erzeugten die Forscher Spinwellen in Nickeloxid. Bei einem Spin handelt es sich um eine auch als Eigendrehimpuls bezeichnete quantenmechanische Eigenschaft der Elektronen, die eng mit den magnetischen Eigenschaften von Materialien verknüpft ist.

Das hohe Magnetfeld der Terahertz-Pulse aus der TELBE-Anlage koppelt direkt an die Elektronenspins im Material Nickeloxid und regt sie zu einer einheitlichen Rotationsbewegung an. So entstehen Spinwellen, mit denen sich prinzipiell, wie bei fließenden Ladungsträgern auch, Informationen transportieren und verarbeiten lassen.

Das Besondere: Die beobachtete Auslenkung der Spins, also die Größe der Rotationsbewegung, war deutlich größer als bei bisherigen Untersuchungen. Durch die im Vergleich zu existierenden Anlagen um mehrere Größenordnungen höhere Wiederholrate können derartige Experimente zudem schneller und mit besserer Auflösung durchgeführt werden. „Wenn wir die Zielparameter der TELBE-Anlage erreicht haben, stehen uns 100-fach stärkere Terahertz-Pulse zur Verfügung. Damit kommen wir dann bereits in Größenordnungen, bei denen wir nicht nur kohärente Spinwellen anregen, sondern sogar eine Spinumkehr erreichen können. Das hätte eine hohe technologische Bedeutung“, sagt Dr. Gensch.

Einzigartige Experimente im Multi-User-Betrieb

Eine weitere Neuerung: Ein Beschleuniger treibt mehrere Terahertz-Strahler parallel an. Somit können an Nutzeranlagen der Zukunft – wie beispielsweise TELBE am Dresdner Helmholtz-Zentrum – mehrere Anwender gleichzeitig Experimente im sogenannten Multi-User-Betrieb durchführen. „Wir wollen jetzt untersuchen, ob wir auch eine dritte, besonders schmalbandige Quelle parallel betreiben können. Mittelfristig könnten dann auch mehr als zwei Messplätze für Hochfeld-Terahertz-Experimente zur Verfügung stehen“, sagt Dr. Sergey Kovalev, der für die Betreuung der zukünftigen Nutzer verantwortliche Physiker an der TELBE Anlage.

TELBE wird ab dem Sommer im sogenannten „friendly user“-Modus betrieben. „Gerade in der Anfangszeit von neuen Anlagen kann es passieren, dass noch nicht alle Parameter passgenau für alle vorgeschlagenen Experimente eingestellt werden können“, sagt Dr. Kovalev. „Wir sind aus diesem Grund auch während der Experimente die ganze Zeit vor Ort, um unsere Messgäste zu unterstützen und die Anlage zu optimieren“. Schon jetzt ist die beschränkte Experimentierzeit europaweit stark nachgefragt.

Publikation: Green, B. et al., „High-Field High-Repetition-Rate Sources for the Coherent THz Control of Matter“, Scientific Reports 6, 2016 (doi: 10.1038/srep22256)

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