En laser til indtrængende bølger

Landau-niveau laser er et spændende koncept for en usædvanlig strålekilde. Det kunne effektivt generere såkaldte terahertz-bølger, som kan bruges til at trænge igennem materialer, med mulige applikationer i datatransmission. Indtil nu, imidlertid, næsten alle forsøg på at lave en sådan laser er mislykkedes. Et internationalt forskerteam har nu taget et vigtigt skridt i den rigtige retning:I tidsskriftet Natur fotonik , de beskriver et materiale, der genererer terahertz -bølger ved blot at anvende en elektrisk strøm. Fysikere fra det tyske forskningscenter Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) spillede en væsentlig rolle i dette projekt.

Som lys, terahertz -bølger er elektromagnetisk stråling i et frekvensområde mellem mikrobølger og infrarød stråling. Deres egenskaber er af stor teknologisk og videnskabelig interesse, da de tillader grundlæggende forskere at studere oscillationer af krystalgitter eller udbredelse af spinbølger.

"Terahertz -bølger er af interesse for tekniske applikationer, fordi de kan trænge igennem mange stoffer, der ellers er uigennemsigtige, såsom tøj, plast og papir, "HZDR -forsker Stephan Winnerl forklarer. Terahertz -scannere bruges allerede i dag til sikkerhedskontrol i lufthavne, opdager, om passagerer skjuler farlige genstande under deres tøj-uden at skulle ty til skadelige røntgenstråler.

Fordi terahertz -bølger har en højere frekvens end de radiobølger, vi bruger i dag, de kunne også udnyttes til dataoverførsel en dag. Nuværende WLAN -teknologi, for eksempel, fungerer ved frekvenser på to til fem gigahertz. Da terahertz -frekvenser er omkring 1000 gange højere, de kunne overføre billeder, video og musik meget hurtigere, om end på kortere afstande. Imidlertid, teknologien er endnu ikke fuldt udviklet. ”Der er sket store fremskridt i de seneste år, "Winnerl rapporterer." Men at generere bølgerne er stadig en udfordring - eksperter taler om et sandt terahertz -hul. "Et særligt problem er manglen på en terahertz -laser, der er kompakt, magtfulde, og kan indstilles på samme tid.

Fleksible frekvenser

Laserlys genereres af elektronerne i lasermaterialet. Ifølge kvanteeffekten, elektriske elektroner udsender lys, men de kan ikke absorbere en vilkårlig mængde energi, kun visse portioner. Derfor, lys udsendes også i portioner, i en bestemt farve og som en fokuseret stråle. For nogen tid nu, eksperter har sat deres blik på et specifikt koncept for en terahertz laser, en laser på Landau-niveau. Især den kan bruge et magnetfelt til fleksibelt at justere elektronernes energiniveauer. Disse niveauer, på tur, bestemme de frekvenser, der udsendes af elektronerne, hvilket gør laseren indstillelig - en kæmpe fordel for mange videnskabelige og tekniske applikationer.

Der er kun et problem:Sådan en laser findes ikke endnu. "Indtil nu, problemet har været, at elektronerne videregiver deres energi til andre elektroner i stedet for at udsende dem som de ønskede lysbølger, "Winnerl forklarer. Eksperter kalder denne fysiske proces Auger -effekten. Til deres ærgrelse, dette fænomen forekommer også i grafen, et materiale, som de anså særligt lovende for en laser på Landau-niveau. Denne todimensionale form for kulstof viste stærk sneglspredning i HZDR-eksperimenter.

Et spørgsmål om materiale

Forskergruppen prøvede derfor et andet materiale:en tungmetallegering af kviksølv, cadmium og tellur (HgCdTe), der bruges til meget følsomme termiske billedkameraer, blandt andet. Det særlige ved dette materiale er, at dets kviksølv, cadmium og tellur indhold kan vælges meget præcist, som gør det muligt at finjustere en bestemt ejendom, som eksperter kalder bandgabet.

Som resultat, materialet viste egenskaber, der ligner grafen, men uden spørgsmålet om stærk sneglspredning. "Der er subtile forskelle i grafen, der undgår denne spredningseffekt, "siger Stephan Winnerl." Kort sagt, elektronerne kan ikke finde andre elektroner, der kan absorbere den rigtige mængde energi. "Derfor, de har ikke andet valg end at slippe af med deres energi i den form, forskerne ønsker:terahertz -stråling.

Projektet var en international teamindsats:Russiske partnere havde udarbejdet HgCdTe -prøverne, som projektets hovedgruppe i Grenoble derefter analyserede. En af de centrale undersøgelser fandt sted i Dresden-Rossendorf:Ved hjælp af frielektronlaseren FELBE, eksperter affyrede stærke terahertz -pulser mod prøven og kunne observere elektronernes adfærd i tidsopløsning. Resultatet:"Vi bemærkede, at den snegleeffekt, som vi havde observeret i grafen, faktisk var forsvundet, "Siger Winnerl.

LED til Terahertz

Endelig, en arbejdsgruppe i Montpellier observerede, at HgCdTe -forbindelsen faktisk udsender terahertz -bølger, når der tilføres elektrisk strøm. Ved at variere et yderligere magnetfelt på kun cirka 200 millitesla, eksperterne var i stand til at variere frekvensen af ​​de udsendte bølger i et område på en til to terahertz - en afstemt strålingskilde. "Det er ikke helt en laser endnu, men snarere som en terahertz LED, "Winnerl beskriver." Men vi burde være i stand til at udvide konceptet til en laser, selvom det vil kræve en vis indsats. ”Og det er præcis, hvad de franske partnere vil tackle næste gang.

Der er en begrænsende faktor, dog:Indtil nu, princippet har kun virket, når det er afkølet til meget lave temperaturer, lige over det absolutte nul. "Dette er bestemt en hindring for daglige applikationer, "Winnerl opsummerer." Men til brug i forskning og i visse højteknologiske systemer, vi burde kunne få det til at fungere med denne form for afkøling. "