Neue Methode zur temperaturabhängigen Erzeugung von Terahertz-Strahlung

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 zugänglich: Sie lassen sich nur sehr aufwändig mit Lasern oder einer Antenne erzeugen.

Terahertz-Quellen sind vergleichsweise ineffizient und teuer. Vor einigen Jahren haben Physiker der Freien Universität Berlin jedoch eine alternative Methode vorgestellt, Terahertz-Strahlung zu erzeugen.

Sie ermöglicht den Bau sehr viel kompakterer und kostengünstigerer Emitter. Ein Forscherteam um Professor Manfred Albrecht von der Universität Augsburg und Professor Rudolf Bratschitsch von der Universität Münster hat dieses Verfahren nun weiterentwickelt.

Kern des neuen Konzepts ist ein so genannter spintronischer Emitter – ganz ähnlich 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 Ladungsträger, 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 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, geht mit der Emission einer Terahertz-Welle einher.

Dieser Mechanismus ist bereits seit einigen Jahren bekannt. Die Physiker der Universitäten 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 Ströme, die durch den inversen Spin-Hall-Effekt entstehen, dieselbe Richtung haben“, erklärt Fix. Sie verstärken sich also gegenseitig: Die Intensität der abgegebenen Terahertz-Strahlung steigt. Wird die Temperatur dagegen über eine bestimmte Grenze erhöht, ändert ein Teil der Ströme seine Richtung und hebt dadurch die Wirkung der anderen nahezu auf: Die Strahlungsintensität sinkt erheblich. Der Emitter kann somit über Änderung der Temperatur kontrolliert werden.

Prinzipiell sollten sich mit dem gezeigten Konzept stärkere Strahlenquellen bauen lassen. Jedoch geht es in der Studie zunächst einmal um den Nachweis, dass das Verfahren überhaupt funktioniert. Die Wissenschaftler wollen nun daran gehen, die Strahlen-Intensität durch eine geschickte Auswahl der verwandten Metalle und die Variation ihrer Schichtdicken weiter zu erhöhen.

Ausführliche Bildbeschreibung:
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.

Prof. Dr. Manfred Albrecht
Experimentalphysik IV
Institut für Physik
Universität Augsburg
Tel.: 0821/598 3478
E-Mail: manfred.albrecht@physik.uni-augsburg.de

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