Augsburg/FL/MH – Physiker der Universit?ten Augsburg und Münster haben einen neuartigen Emitter zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung vorgestellt, der sich durch Variation der Temperatur an- oder abschalten l?sst. In Zukunft k?nnte sie m?glicherweise den Bau von Strahlenquellen h?herer Intensit?t erm?glichen. Das Interesse an solchen Emittern ist gro?: Mit Terahertz-Strahlung lassen sich beispielsweise Fehler in Materialien sichtbar machen, Waffen unter der Kleidung detektieren oder Hautkrebszellen aufspüren. Die Studie ist in der Zeitschrift ?Applied Physics Letters“ erschienen.

Terahertz-Strahlen sind elektromagnetische Wellen, genau wie Radiowellen oder das Licht. Was sie unterscheidet, ist die Frequenz, mit der sie schwingen: hundertmal langsamer als das Abendrot, aber zehntausendmal schneller als ein UKW-Sender. Sie sind, wenn man so will, nicht Fisch und nicht Fleisch. Und genau diese Eigenschaft macht sie so schwer zug?nglich: Sie lassen sich nur sehr aufw?ndig mit Lasern oder einer Antenne erzeugen.

Terahertz-Quellen sind vergleichsweise ineffizient und teuer. Vor einigen Jahren haben Physiker der Freien Universit?t Berlin jedoch eine alternative Methode vorgestellt, Terahertz-Strahlung zu erzeugen. Sie erm?glicht den Bau sehr viel kompakterer und kostengünstigerer Emitter. Ein Forscherteam um Professor Manfred Albrecht von der Universit?t Augsburg und Professor Rudolf Bratschitsch von der Universit?t Münster hat dieses Verfahren nun weiterentwickelt.

Kern des neuen Konzepts ist ein so genannter spintronischer Emitter – ganz ?hnlich wie der, der ursprünglich in Berlin entworfen wurde. In seiner Grundversion besteht er aus zwei aufeinanderliegenden extrem dünnen Metall-Schichten, von denen eine magnetisch ist. Metalle enthalten Ladungstr?ger, die so genannten Elektronen. Man kann sie sich als winzige Kreisel vorstellen, die sich in ihrer Drehrichtung (ihrem ?Spin“) unterscheiden.

Mit ultrakurzen Laserpulsen kann man einem Teil der Elektronen in der magnetischen Schicht gewisserma?en 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“, erkl?rt Mario Fix, der in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Manfred Albrecht am Lehrstuhl für Experimentalphysik IV der Universit?t Augsburg promoviert. ?Er sorgt dafür, dass die Elektronen abgelenkt werden – in welche Richtung, h?ngt dabei von ihrem Spin ab.“ Der ultrakurze Strompuls, der dabei entsteht, geht mit der Emission einer Terahertz-Welle einher.

Dieser Mechanismus ist bereits seit einigen Jahren bekannt. Die Physiker der Universit?ten Augsburg und Münster haben das Metall-Sandwich nun erweitert. ?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.“

Der besondere Clou liegt in den Materialien, die die Forscher für die beiden magnetischen Schichten verwandten. Zum Einsatz kamen dabei Gadolinium-Eisen-Legierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Diese unterscheiden sich unter anderem in der Ausrichtung der Spins voneinander, die die Elektronen des Eisens haben: Bei hohen Temperaturen zeigen die Spins dieser beweglichen Elektronen in beiden magnetischen Schichten in die gleiche Richtung. Bei tieferen Temperaturen richten sie sich dagegen entgegengesetzt aus.

?Das sorgt dafür, dass bei tiefen Temperaturen die Str?me, die durch den inversen Spin-Hall-Effekt entstehen, dieselbe Richtung haben“, erkl?rt Fix. Sie verst?rken sich also gegenseitig: Die Intensit?t der abgegebenen Terahertz-Strahlung steigt. Wird die Temperatur dagegen über eine bestimmte Grenze erh?ht, ?ndert ein Teil der Str?me seine Richtung und hebt dadurch die Wirkung der anderen nahezu auf: Die Strahlungsintensit?t sinkt erheblich. Der Emitter kann somit über ?nderung der Temperatur kontrolliert werden.

Prinzipiell sollten sich mit dem gezeigten Konzept st?rkere Strahlenquellen bauen lassen. Jedoch geht es in der Studie zun?chst einmal um den Nachweis, dass das Verfahren überhaupt funktioniert. Die Wissenschaftler wollen nun daran gehen, die Strahlen-Intensit?t durch eine geschickte Auswahl der verwandten Metalle und die Variation ihrer Schichtdicken weiter zu erh?hen.

Publikation:
Mario Fix, Robert Schneider, Jannis Bensmann, Steffen Michaelis de Vasconcellos, Rudolf Bratschitsch und Manfred Albrecht: Thermomagnetic control of spintronic THz emission enabled by ferrimagnets; Applied Physics Letters; DOI: 10.1063/1.5132624