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Terahertz-Strahlen sind elektromagnetische Wellen wie auch Radiowellen oder das Licht, unterscheiden sich jedoch erheblich in der Frequenz, mit der sie schwingen: „hundertmal langsamer als das Abendrot, aber zehntausendmal schneller als ein UKW-Sender“, erklären Forscher der Universität Augsburg. „Sie sind, wenn man so will, nicht Fisch und nicht Fleisch. Und genau diese Eigenschaft macht sie so schwer zugänglich: Sie lassen sich nur sehr aufwändig mit Lasern oder einer Antenne erzeugen.“

Physiker der Universitäten Augsburg und Münster haben eine neue Methode entwickelt, Terahertz-Strahlung zu erzeugen: mit einem Emitter, der sich durch Variation der Temperatur an- oder abschalten lässt. So könnten in Zukunft vielleicht Strahlenquellen höherer Intensität möglich werden, die vielfach eingesetzt werden könnten. Mit Terahertz-Strahlung ließen sich beispielsweise Fehler in Materialien sichtbar machen, Waffen unter der Kleidung detektieren oder Hautkrebszellen aufspüren, heißt es.

Physiker der Freien Universität Berlin haben vor ein paar Jahren eine alternative Methode vorgestellt, Terahertz-Strahlung zu erzeugen, die ein Forscherteam um Professor Manfred Albrecht von der Universität Augsburg und Professor Rudolf Bratschitsch von der Universität Münster nun weiterentwickelt haben.

Spintronischer Emitter

Im Mittelpunkt dieser neuen Methode steht ein so genannter spintronischer Emitter. Der besteht er aus zwei aufeinanderliegenden extrem dünnen Metall-Schichten. Eine dieser Schichten ist megnetisch. „Metalle enthalten Ladungsträger, die so genannten Elektronen“, erklären die Physiker. „Man kann sie sich als winzige Kreisel vorstellen, die sich in ihrer Drehrichtung (ihrem ‚Spin‘) unterscheiden.“

Schemazeichnung des neuartigen Emitters. Bei niedrigen Temperaturen (oben) haben die Elektronen des Eisens in den beiden Gadolinium-Eisen-Schichten einen entgegengesetzten Spin. Beim Übertritt in die äußeren Platin-Schichten werden die Elektronen der rechten Schicht daher nach links abgelenkt, die der linken Schicht dagegen nach rechts (in der mittleren Wolfram-Schicht ist die Ablenkungsrichtung genau umgekehrt). Die Strompulse, die dabei entstehen, sind gleichgerichtet; die Strahlung wird verstärkt. Bei hohen Temperaturen (unten) entstehen dagegen entgegengesetzte Strompulse, die sich in ihrer Wirkung nahezu aufheben. © Universität Augsburg

Mit ultrakurzen Laserpulsen könne man einem Teil der Elektronen in der magnetischen Schicht gewissermaßen einen Schubs versetzen, so dass sie zu wandern beginnen. Einige von ihnen treten dabei in die nicht magnetische Schicht ein. „Dort kommt es dann zum sogenannten inversen Spin-Hall-Effekt“, erklärt Mario Fix, der in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Manfred Albrecht am Lehrstuhl für Experimentalphysik IV der Universität Augsburg promoviert. „Er sorgt dafür, dass die Elektronen abgelenkt werden – in welche Richtung, hängt dabei von ihrem Spin ab.“ Der ultrakurze Strompuls, der dabei entsteht, gehe mit der Emission einer Terahertz-Welle einher.

Neu ist dieser Mechanismus jedoch nicht. Er ist schon seit einigen Jahren bekannt. Der neue Emitter, den die Physiker der Universitäten Augsburg und Münster entwickelt haben, hat anstatt zwei Schichten nun fünf. „Unser Emitter hat fünf Schichten, die jeweils nur wenige Millionstel Millimeter dick sind“, sagt Mario Fix. „Zwei von ihnen sind magnetisch, die drei anderen nicht.“

Spin-Hall Effekt

Die echte Innovation sind aber nicht nur die fünf Schichten, sondern vielmehr die Materialien, aus denen die beiden magnetischen Schichten bestehen: Gadolinium-Eisen-Legierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Diese würden sich unter anderem in der Ausrichtung der Spins voneinander unterscheiden, die die Elektronen des Eisens haben. So zeigen die Spins dieser beweglichen Elektronen bei hohen Temperaturen in beiden magnetischen Schichten in die gleiche Richtung, bei tieferen Temperaturen in entgegengesetzte Richtungen.

„Das sorgt dafür, dass bei tiefen Temperaturen die Ströme, die durch den inversen Spin-Hall-Effekt entstehen, dieselbe Richtung haben“, erklärt Fix. Dadurch verstärken sie sich gegenseitig und die Intensität der abgegebenen Terahertz-Strahlung steigt. Erhöht man die Temperatur über eine bestimmte Grenze, ändert ein Teil der Ströme seine Richtung und hebt dadurch die Wirkung der anderen beinahe auf, wodurch die Strahlungsintensität sinkt. Der Emitter kann daher kontrolliert werden, indem man die Temperatur ändert.

Im Prinzip sollte es möglich sein, mit diesem neuen Konzept stärkere Strahlenquellen zu bauen, in der Studie gehe es aber in erster Linie darum zu zeigen, dass das Verfahren überhaupt funktioniert. Als Nächstes wollen die Wissenschaftler versuchen, die Strahlen-Intensität „durch eine geschickte Auswahl der verwandten Metalle und die Variation ihrer Schichtdicken weiter zu erhöhen“.

Die Studie wurde in der Zeitschrift „Applied Physics Letters“ veröffentlicht.

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Über den Autor

Author profile picture Petra Wiesmayer ist seit mehr als 25 Jahren als Journalistin und Autorin tätig. Sie hat bis heute hunderte Interviews mit Prominenten aus Entertainment, Sport und Politik geführt und zahllose Artikel über Entertainment und Motorsport für internationale Medien recherchiert und verfasst. Als großer Science-Fiction-Fan ist sie fasziniert von Technologien, die die Zukunft der Menschheit mitbestimmen könnten und liest und schreibt gerne darüber.