Terahertz-Quelle nutzt Spinstrom

  • 02. February 2018

Stromfluss in magne­tischen Nano­strukturen ermöglicht eine günstige und material­sparende Anwendung.

Um Passagiere und Gepäck am Flughafen zu durchleuchten, kommen oft Terahertz-Wellen zum Einsatz. Auch in anderen Bereichen, etwa bei der Material­prüfung in der Industrie, sind sie gefragt. Physiker der Tech­nischen Univer­sität Kaisers­lautern haben nun ein neues Verfahren entwickelt, um solche Wellen zu erzeugen. Dazu nutzen sie einen quanten­magnetischen Stromfluss, einen Spinstrom, in magnetischen Metall-Nano­strukturen. Die kosten­günstige und material­sparende Technik könnte etwa in der Industrie Anwendung finden.

Abb.: Die Laserpulse treffen auf die Nanostruktur, in der es zur Umwandlung von Spinstrom zu Terahertz-Wellen kommt. Eine kleine Linse bündelt die Wellen. (Bild: E. Papaioannou)

Abb.: Die Laserpulse treffen auf die Nanostruktur, in der es zur Umwandlung von Spinstrom zu Terahertz-Wellen kommt. Eine kleine Linse bündelt die Wellen. (Bild: E. Papaioannou)

„Ein Spin bezeichnet den Eigendreh­impuls von Quanten­teilchen wie zum Beispiel Elektronen“, sagt Evangelos Papa­ioannou, der am Lehrstuhl für Magne­tismus 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 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, verwendeten die Forscher 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 Papa­ioannou. Dieser Strom fließt in die daneben­liegende Platin­schicht. Hier kommt es nun zum 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. Nun 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 Arbeit 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.

TUK / JOL

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