Landau-nivålasern är ett spännande koncept för en ovanlig strålkälla. Det skulle effektivt kunna generera så kallade terahertz-vågor, som kan användas för att penetrera material, med möjliga tillämpningar inom dataöverföring. Än så länge, dock, nästan alla försök att göra en sådan laser har misslyckats. Ett internationellt team av forskare har nu tagit ett viktigt steg i rätt riktning:I tidskriften Nature Photonics , de beskriver ett material som genererar terahertzvågor genom att helt enkelt applicera en elektrisk ström. Fysiker från det tyska forskningscentret Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) spelade en viktig roll i detta projekt.

Som ljus, terahertz -vågor är elektromagnetisk strålning i ett frekvensområde mellan mikrovågor och infraröd strålning. Deras egenskaper är av stort tekniskt och vetenskapligt intresse, eftersom de tillåter grundläggande forskare att studera svängningar av kristallgitter eller utbredning av spinnvågor.

"Terahertzvågor är intressanta för tekniska tillämpningar eftersom de kan penetrera många ämnen som annars är ogenomskinliga, som kläder, plast och papper, " HZDR-forskaren Stephan Winnerl förklarar. Terahertz-skannrar används redan idag för säkerhetskontroller på flygplatser, upptäcka om passagerare döljer farliga föremål under sina kläder – utan att behöva ta till skadliga röntgenstrålar.

Eftersom terahertz -vågor har en högre frekvens än de radiovågor vi använder idag, de skulle också kunna utnyttjas för dataöverföring en dag. Aktuell WLAN-teknik, till exempel, fungerar vid frekvenser på två till fem gigahertz. Eftersom terahertz-frekvenserna är cirka 1000 gånger högre, de kunde överföra bilder, video och musik mycket snabbare, om än på kortare avstånd. Dock, Tekniken är ännu inte färdigutvecklad. "Det har skett mycket framsteg de senaste åren, Winnerl rapporterar. "Men att generera vågorna är fortfarande en utmaning – experter talar om ett veritabelt terahertzgap." En speciell fråga är bristen på en terahertzlaser som är kompakt, kraftfull, och kan justeras samtidigt.

Flexibla frekvenser

Laserljus genereras av elektronerna i lasermaterialet. Enligt kvanteffekten, strömförsedda elektroner avger ljus, men de kan inte absorbera någon slumpmässig mängd energi, endast vissa portioner. Följaktligen, ljus sänds också ut i portioner, i en specifik färg och som en fokuserad stråle. Sedan en tid tillbaka, experter har siktet inställt på ett specifikt koncept för en terahertzlaser, en laser på Landau-nivå. I synnerhet, den kan använda ett magnetfält för att flexibelt justera elektronernas energinivåer. Dessa nivåer, i tur och ordning, bestämma frekvenserna som emitteras av elektronerna, vilket gör lasern avstämbar – en stor fördel för många vetenskapliga och tekniska tillämpningar.

Det finns bara en fråga:En sådan laser finns inte ännu. "Än så länge, problemet har varit att elektronerna överför sin energi till andra elektroner istället för att sända ut dem som de önskade ljusvågorna, " förklarar Winnerl. Experter kallar denna fysiska process Auger-effekten. Till deras förtret, detta fenomen förekommer också i grafen, ett material som de ansåg särskilt lovande för en laser på Landau-nivå. Denna tvådimensionella form av kol visade stark Auger-spridning i HZDR-experiment.

En fråga om material

Forskargruppen provade därför ett annat material:en tungmetallegering av kvicksilver, kadmium och tellur (HgCdTe) som används för mycket känsliga värmekameror, bland annat. Det speciella med detta material är att dess kvicksilver, kadmium- och tellurinnehåll kan väljas mycket exakt, vilket gör det möjligt att finjustera en viss egenskap som experter kallar bandgapet.

Som ett resultat, materialet visade egenskaper liknande grafen, men utan frågan om stark Auger -spridning. "Det finns subtila skillnader med grafen som undviker denna spridningseffekt, säger Stephan Winnerl. Enkelt uttryckt, elektronerna kan inte hitta några andra elektroner som kan absorbera rätt mängd energi." de har inget annat val än att göra sig av med sin energi i den form som forskarna vill ha:terahertzstrålning.

Projektet var ett internationellt lagarbete:ryska partner hade förberett HgCdTe-proverna, som projektets ledargrupp i Grenoble sedan analyserade. En av de centrala undersökningarna ägde rum i Dresden-Rossendorf:Med hjälp av frielektronlasern FELBE, experter avfyrade starka terahertz-pulser mot provet och kunde observera elektronernas beteende i tidsmässig upplösning. Resultatet:"Vi märkte att Auger-effekten som vi hade observerat i grafen faktiskt hade försvunnit, "Säger Winnerl.

LED för Terahertz

Slutligen, en arbetsgrupp i Montpellier observerade att HgCdTe -föreningen faktiskt avger terahertzvågor när elektrisk ström appliceras. Genom att variera ytterligare ett magnetfält på endast cirka 200 millitesla, experterna kunde variera frekvensen av de utsända vågorna i ett intervall av en till två terahertz - en avstämbar strålningskälla. "Det är inte riktigt en laser än, men snarare som en terahertz LED, "Winnerl beskriver." Men vi borde kunna utvidga konceptet till en laser, även om det kommer att kräva lite ansträngning." Och det är precis vad de franska partnerna vill ta itu med härnäst.

Det finns en begränsande faktor, dock:Hittills, principen har bara fungerat när den kylts till mycket låga temperaturer, strax över den absoluta nollpunkten. "Detta är verkligen ett hinder för vardagliga applikationer, " Sammanfattar Winnerl. "Men för användning i forskning och i vissa högteknologiska system, vi borde kunna få det att fungera med den här typen av kylning."