Neue Technik: Physiker erzeugen Terahertz-Wellen mit Spin-Stromfluss

Terahertz (THz)-Wellen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Für das menschliche Auge sind sie nicht sichtbar. Da sie energiearm sind, sind sie für die Gesundheit unbedenklich. Heutzutage spielen sie unter anderem in der Medizin- und Kommunikationstechnik eine Rolle, aber auch bei der Materialprüfung. So kamen sie zum Beispiel zum Einsatz, um die Kunststoffisolierung am Space-Shuttle zu untersuchen. Allerdings bedarf es leistungsfähiger Strahlungsquellen, sogenannten Emittern, um die Wellen zu erzeugen. Dies ist meist mit hohem Energieaufwand und Kosten verbunden.

Ein sehr effizientes und gleichzeitig kostengünstigeres Verfahren haben nun Kaiserslauterer Forscher entwickelt: Sie nutzen dabei einen sogenannten Spinstrom. Dieser ist analog zum elektrischen Strom, bei dem elektrische Ladungen, nämlich Elektronen, fließen. „Ein Spin bezeichnet den Eigendrehimpuls von Quantenteilchen wie zum Beispiel Elektronen“, sagt Juniorprofessor Dr. Evangelos Papaioannou, der am Lehrstuhl für Magnetismus bei Professor Dr. Burkard Hillebrands an der TUK im Fachbereich Physik forscht. „Er bildet die Grundlage für alle magnetischen Phänomene. Vereinfacht gesagt dreht sich ein Elektron wie ein Kreisel links- oder rechtsherum um seine Achse.“

Für die Technik hat das Team um Papaioannou eine spezielle Nanostruktur entwickelt. „Sie besteht aus einer Metall-Doppelschicht aus dem magnetischen Eisen und dem nichtmagnetischen Platin“, beschreibt der Physiker den Aufbau der Struktur. „Dabei handelt es sich um hauchdünne Schichten, die nur wenige Nanometer dick sind.“

Um die Terahertz-Wellen zu erzeugen, verwendet die Arbeitsgruppe um Juniorprofessor Papaioannou einen Femtosekundenlaser, der äußerst kurze Laserpulse aussendet. In der Folge passiert nun Folgendes: „Die Pulse treffen auf die Nanostruktur. Hier regen sie im Eisen die Elektronen an, wodurch ein Spinstrom entsteht“, so der Forscher. Dieser Strom fließt in die danebenliegende Platinschicht. Hier kommt es nun zu einem bestimmten physikalischen Phänomen, dem inversen Spin-Hall-Effekt. Für Platin ist dieser Effekt schon länger bekannt. Er entsteht aufgrund der atomaren Struktur des Metalls. „Die Atomkerne von Platin lenken Elektronen mit links- und rechtsdrehendem Spin in entgegengesetzte Richtungen ab, was zur Umwandlung des Spinstroms in einen ultraschnellen Ladungsstrom führt, der dann die Quelle der Terahertz-Wellen ist“, sagt Papaioannou.

Als Besonderheit des Versuchsaufbaus ist auf der Struktur eine kleine Linse aus Silizium angebracht. „Damit bündeln wir die Wellen“, so der Juniorprofessor weiter. Auf diese Weise könnten die Terahertz-Wellen bei künftigen Anwendungen einfach und effizient weitergeleitet werden.

In ihrer nun veröffentlichen Arbeit haben die Forscher unter anderem untersucht, wie die Schichtdicken und die Anordnung der Materialien am besten gestaltet sein müssen, um die THz-Wellen zu erzeugen. Das Forschungsgebiet der THz-Spintronik-Technik ist noch recht neu. Erst letztes Jahr haben Berliner Forscherkollegen erstmals gezeigt, dass sich Terahertz-Wellen mittels Spinstrom erzeugen lassen. Die Studie der Kaiserslauterer Forscher zeigt nun, wie die Strahler so optimiert werden können, dass sie ihre maximale Effizienz erreichen können.

Dies macht sie kostengünstiger und für verschiedene Anwendungsfelder interessant, beispielsweise für Sicherheitstechniken, Materialprüfung und Informationstechnologien, aber auch für die Grundlagenforschung.

Das Team um Papaioannou ist Teil des Landesforschungszentrums für Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS), welches vom Land Rheinland-Pfalz finanziert wird. An der Studie waren auch Professor Dr. René Beigang und Dr. Garik Torosyan vom Photonic Center Kaiserslautern beteiligt. Beide Forscher sind Experten auf dem Gebiet der Terahertz-Wellen.

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereichs „SPIN+X“ sowie der Carl-Zeiss-Stiftung unterstützt. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht: „Optimized Spintronic Terahertz Emitters Based on Epitaxial Grown Fe/Pt Layer Structures“ DOI: 10.1038/s41598-018-19432-9