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Von der Musik inspiriert

Internationalem For­scher­team gelingt In­no­va­ti­on bei Terahertz-Photonik

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Licht fällt auf den Absorber und verwandelt ihn in einen Spiegel. © Jürgen Raab​/​TU Dort­mund
Ein intensiver Lichtimpuls (weiß) kann den sättigbaren Absorber (Goldgitter) in einen nahezu perfekten Spiegel verwandeln. Im Hintergrund: Das Foto eines Quantenkaskaden-Lasers – silbrig glänzender Bereich in der Mitte –, durch eine Linse betrachtet.

Eine Gruppe von Wis­sen­schaft­ler­in­nen und Wis­sen­schaft­lern aus Dort­mund, Regensburg, Pisa und Leeds hat eine photonische Schlüsselkomponente ent­wi­ckelt, die künftig ultrakurze Impulse aus Terahertz-Lasern ermöglichen könnte. Dafür haben sich TU-Professor Christoph Lange und seine Forschungspartner von der Musik inspirieren lassen. Sie haben einen sättigbaren Absorber un­ter­sucht, der dank starker Kopplung elektronischer Resonanzen mit dem Lichtfeld eines Mikroresonators bereits bei extrem geringen Intensitäten betrieben werden kann. Die Er­geb­nisse sind in der aktuellen Ausgabe von Nature Com­mu­ni­ca­tions veröffentlicht.

Terahertz-Strahlung eröffnet ein vielfältiges Spektrum von An­wen­dungen, das sich von Sicherheitsscannern an Flughäfen über Spurengasdetektion bis hin zu ultraschneller Kommunikationstechnologie und Medizintechnik erstreckt. Viele wei­tere Technologien könnten hinzukommen, wenn ultrakurze Impulse direkt aus Quantenkaskaden-Lasern erzeugt werden könnten.

Mit Hilfe sättigbarer Absorber ließen sich kostengünstigen Quantenkaskaden-Lasern leicht kurze Terahertz-Impulse entlocken. Leider waren sättigbare Absorber bis vor Kurzem für den Terahertz-Spektralbereich schwer zu realisieren. Um eine neue Klasse solcher Bauteile zu entwickeln, ließen sich die Arbeitsgruppen von Prof. Christoph Lange an der Fakultät Physik der TU Dort­mund und Prof. Rupert Huber, Uni­ver­si­tät Regensburg, gemeinsam mit ihren Kooperationspartnern Prof. Miriam Vitiello, NEST Pisa, und Prof. Edmund Linfield, University of Leeds, von der Musik inspirieren: Woher stammt zum Beispiel der einmalige Klang eines Steinway-Klaviers? Das Geheimnis liegt nicht in den Saiten, sondern vielmehr im Resonanzkörper. Dort entstehen Klang und Dynamik nach einem Tastenanschlag. „Im Grunde übernehmen wir diese Idee in die Terahertz-Optik“, sagt Jürgen Raab, der Erstautor der Veröffentlichung.

Miriam Vitiellos Gruppe entwickelte eine mikrostrukturierte Anordnung, bestehend aus einem Goldspiegel und einem Goldgitter, welche zu­sam­men als Resonanzkörper für Terahertz-Strahlung wirken. Dessen Resonanzen können stark mit Elektronen in speziellen Halbleiter-Nanostrukturen gekoppelt werden, die in der Gruppe von Edmund Linfield auf eine einzelne Atomlage genau hergestellt wurden. In einer durch die Teams von Christoph Lange und Rupert Huber entwickelten hochpräzisen Zeitlupenkamera beobachteten die Wis­sen­schaft­ler, wie die neuen Strukturen auf einen kräftigen „Tastenanschlag“ reagieren, also auf die Anregung mit einem intensiven Terahertz-Impuls.

Verblüffendes Ergebnis

Auf der Zeitskala von Femtosekunden zeigte sich ein verblüffendes Ergebnis: Der Absorber sättigte bereits bei einer um einen Faktor 10 geringeren Intensität als zuvor mög­lich. Diese Reaktion setzte darüber hinaus schneller ein als eine einzelne Lichtschwingung des Terahertz-Impulses. Miriam Vitiello ist begeistert: „Wir halten nun alle nötigen Komponenten in Händen, um ultraschnelle Quantenkaskaden-Laser mit sättigbaren Absorbern zu bauen“.

Da Terahertz-Strahlung tausendfach schneller als die Taktraten moderner Computer oszilliert, könnten ultrakurze Terahertz-Impulse eine neue Generation von Telekommunikationsverbindungen ermöglichen – weit schneller als 5G. Auch wichtige Fortschritte im Bereich der chemischen Analytik und der medizinischen Diagnostik sind denkbar. Ein wichtiger Meilenstein auf diesem Weg ist nun erreicht.

Originalpublikation:

J. Raab, F.P. Mezzapesa, L. Viti, N. Dessmann, L.K. Diebel, L. Li, A.G.
Davies, E.H. Linfield, C. Lange, R. Huber, and M.S. Vitiello: "Ultrafast terahertz saturable absorbers using tailored intersubband polaritons"
doi: 10.1038/s41467-020-18004-8
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18004-8
 

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