Mehr Kontrolle über Terahertz-Laser

Manchester (Großbritannien) - An Flughäfen durchleuchten Terahertz-Scanner Passagiere und können schnell metallische Gegenstände, Flüssigkeiten und Sprengstoffe aufspüren. Die für den Menschen unschädliche Terahertzstrahlung könnte aber auch für schonende Analysen biologischer Proben oder in Zukunft für optoelektronische Schaltkreise genutzt werden. Diese Anwendungen im Blick entwickelten britische Physiker nun einen Terahertz-Laser, der eine größere Kontrolle über die emittierten Wellenlängen erlaubt. In der Fachzeitschrift „Science“ beschreiben sie den komplexen Aufbau, bei dem hauchdünne Kohlenstoffschichten aus Graphen zum Einsatz kommen.

„Die Terahertz-Technologie wurde bislang wegen des komplizierten Aufbaus spezieller Strahlungsquellen von der Industrie wenig beachtet“, sagt Subhasish Chakraborty von der University of Manchester. Zusammen mit seinen Kollegen, darunter Graphenentdecker und Nobelpreisträger Konstantin Novoselov, entwickelte er einen Terahertz-Laser, der zukünftige Anwendungen erleichtern soll. „Diese Experimente ebnen den Weg für die Entwicklung einer neuen Generation von Terahertz-Halbleiter-Lasern“, ist Chakraborty überzeugt.

Für den neuen Prototyp nutzten die Wissenschaftler einen sogenannten Quantenkaskadenlaser, mit dem bereits heute Terahertzstrahlung verschiedener Wellenlängen nach einer elektronischen Anregung von geschichteten Verbindungshalbleitern erzeugt werden kann. Auf diesen Laser setzten sie einen in unregelmäßigen Abständen mit Nanoschlitzen präparierten Wellenleiter, über den die Terahertz-Laserpulse ausgekoppelt werden konnten. Auf diesen Wellenleiter legten sie nun eine dünne Schicht aus Graphen. Diese Schicht aus nur einer Lage Kohlenstoffatome deckten die Physiker mit einem isolierenden Polymer ab.

Elektrisch angeregt sendete dieser Laser Terahertz-Pulse verschiedener Frequenzen zwischen 2,8 und 3 Terahertz (THz) aus. Wurde aber eine Steuerspannung von einem Volt an die Graphenschicht angelegt, dominierte eine einzige Frequenz bei etwa 2,95 THz. Die Intensität der anderen Frequenzen waren deutlich geringer. Verantwortlich für diesen Effekt waren kollektive Dichteschwankungen von Elektronen in der Graphenschicht, im Fachslang Oberflächenplasmonen genannt. Diese bildeten sich in Abhängigkeit von der Steuerspannung aus und führten zu der bevorzugten Emission von Terahertzpulsen einzelner Frequenzen.

Mit diesem Versuch belegten die Forscher, dass flache und extrem dünne Graphenschichten zur Frequenzkontrolle von Terahertzpulsen geeignet sind. Weiter optimiert könnten mit dieser Methode Laser entwickelt werden, die besser als bisher für die Untersuchung biologischer Proben oder in Zukunft auch für den Aufbau optoelektronischer Systeme geeignet sein könnten.