De Landau-waterpaslaser is een spannend concept voor een ongewone stralingsbron. Het zou efficiënt zogenaamde terahertz-golven kunnen genereren, die kunnen worden gebruikt om materialen door te dringen, met mogelijke toepassingen in datatransmissie. Tot dusver, echter, bijna alle pogingen om zo'n laser te maken zijn mislukt. Een internationaal team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap in de goede richting gezet:In the journal Natuurfotonica , ze beschrijven een materiaal dat terahertz-golven genereert door simpelweg een elektrische stroom aan te leggen. Natuurkundigen van het Duitse onderzoekscentrum Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) speelden een belangrijke rol in dit project.

als licht, terahertz-golven zijn elektromagnetische straling in een frequentiebereik tussen microgolven en infrarode straling. Hun eigenschappen zijn van groot technologisch en wetenschappelijk belang, omdat ze fundamentele onderzoekers in staat stellen de oscillaties van kristalroosters of de voortplanting van spingolven te bestuderen.

"Terahertz-golven zijn van belang voor technische toepassingen omdat ze kunnen doordringen in tal van stoffen die anders ondoorzichtig zijn, zoals kleding, plastic en papier, " HZDR-onderzoeker Stephan Winnerl legt uit. Terahertz-scanners worden tegenwoordig al gebruikt voor veiligheidscontroles op luchthavens, detecteren of passagiers gevaarlijke voorwerpen onder hun kleding verstoppen - zonder gebruik te hoeven maken van schadelijke röntgenstralen.

Omdat terahertz-golven een hogere frequentie hebben dan de radiogolven die we tegenwoordig gebruiken, ze kunnen op een dag ook worden gebruikt voor gegevensoverdracht. Huidige WLAN-technologie, bijvoorbeeld, werkt op frequenties van twee tot vijf gigahertz. Aangezien terahertz-frequenties ongeveer 1000 keer hoger zijn, ze konden beelden verzenden, video en muziek veel sneller, zij het over kortere afstanden. Echter, de technologie is nog niet volledig ontwikkeld. “De afgelopen jaren is er veel vooruitgang geboekt, "Winnaarl meldt. "Maar het genereren van de golven is nog steeds een uitdaging - experts spreken van een echte terahertz-kloof." Een bijzonder probleem is het ontbreken van een terahertz-laser die compact is, krachtig, en tegelijkertijd afstembaar.

Flexibele frequenties

Laserlicht wordt gegenereerd door de elektronen in het lasermateriaal. Volgens het kwantumeffect, bekrachtigde elektronen zenden licht uit, maar ze kunnen niet zomaar een willekeurige hoeveelheid energie absorberen, alleen bepaalde porties. Overeenkomstig, licht wordt ook in delen uitgestraald, in een specifieke kleur en als een gerichte bundel. Sinds enige tijd, experts hebben hun zinnen gezet op een specifiek concept voor een terahertz-laser, een Landau-waterpaslaser. Opmerkelijk, het kan een magnetisch veld gebruiken om de energieniveaus van de elektronen flexibel aan te passen. Deze niveaus, beurtelings, de frequenties bepalen die door de elektronen worden uitgezonden, waardoor de laser afstembaar is - een enorm voordeel voor veel wetenschappelijke en technische toepassingen.

Er is alleen een probleem:zo'n laser bestaat nog niet. "Tot dusver, het probleem was dat de elektronen hun energie doorgeven aan andere elektronen in plaats van ze uit te zenden als de gewenste lichtgolven, ", legt Winnerl uit. Experts noemen dit fysieke proces het Auger-effect. dit fenomeen komt ook voor in grafeen, een materiaal dat ze bijzonder veelbelovend achtten voor een Landau-waterpaslaser. Deze tweedimensionale vorm van koolstof vertoonde sterke Auger-verstrooiing in HZDR-experimenten.

Een kwestie van materiaal

Het onderzoeksteam probeerde daarom een ​​ander materiaal:een zware metaallegering van kwik, cadmium en tellurium (HgCdTe) dat wordt gebruikt voor zeer gevoelige warmtebeeldcamera's, onder andere. Het bijzondere van dit materiaal is dat het kwik, cadmium- en telluriumgehalten kunnen zeer nauwkeurig worden gekozen, wat het mogelijk maakt om een ​​bepaalde eigenschap te finetunen die experts de band gap noemen.

Als resultaat, het materiaal vertoonde eigenschappen vergelijkbaar met grafeen, maar zonder het probleem van sterke Auger-verstrooiing. "Er zijn subtiele verschillen met grafeen die dit verstrooiingseffect vermijden, " zegt Stephan Winnerl. "Simpel gezegd, de elektronen kunnen geen andere elektronen vinden die de juiste hoeveelheid energie kunnen absorberen." ze hebben geen andere keuze dan hun energie kwijt te raken in de vorm die de wetenschappers willen:terahertz-straling.

Het project was een internationale teaminspanning:Russische partners hadden de HgCdTe-monsters voorbereid, die de projectleider in Grenoble vervolgens analyseerde. Een van de cruciale onderzoeken vond plaats in Dresden-Rossendorf:met behulp van de vrije-elektronenlaser FELBE, experts vuurden sterke terahertz-pulsen af ​​op het monster en waren in staat om het gedrag van de elektronen in temporele resolutie te observeren. Het resultaat:"We merkten dat het Auger-effect dat we in grafeen hadden waargenomen eigenlijk was verdwenen, ' zegt Winnaar.

LED voor Terahertz

als laatste, een werkgroep in Montpellier merkte op dat de HgCdTe-verbinding daadwerkelijk terahertz-golven uitzendt wanneer elektrische stroom wordt toegepast. Door een extra magnetisch veld van slechts ongeveer 200 millitesla te variëren, de experts waren in staat om de frequentie van de uitgezonden golven te variëren in een bereik van één tot twee terahertz - een afstembare stralingsbron. "Het is nog niet echt een laser, maar eerder als een terahertz LED, " beschrijft Winnerl. "Maar we zouden het concept moeten kunnen uitbreiden naar een laser, al zal het wel wat moeite kosten." En dat is precies wat de Franse partners nu willen aanpakken.

Er is één beperkende factor, echter:tot nu toe, het principe werkt alleen bij afkoeling tot zeer lage temperaturen, net boven het absolute nulpunt. "Dit is zeker een belemmering voor alledaagse toepassingen, " Winnerl vat het samen. "Maar voor gebruik in onderzoek en in bepaalde hightech-systemen, we moeten het met dit soort koeling kunnen laten werken."