Terahertz-Wellen

Der Terahertz-Bereich (THz) liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und Infrarotstrahlung. Er ist nicht strikt definiert, aber im Allgemeinen sind damit Frequenzen im Bereich von 0,3 THz bis 10 THz gemeint, wobei ein Terahertz gleich 1000 Gigahertz ist. Dies entspricht Wellenlängen von 1 Millimeter bis 0,03 Millimetern (= 30 Mikrometer). Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von ungefähr 0,1 Millimetern. Ältere Bezeichnungen für diesen Teil des elektromagnetischen Spektrums sind daher auch "Submillimeter-" und "Ferninfrarot-Spektralbereich", worin sich die Einordnung zwischen den Mikrowellen und dem Infraroten widerspiegelt.

Erste Experimente

Erste Experimente mit THz-Strahlung - auch wenn noch nicht so genannt - wurden bereits um 1900 durchgeführt. Damals bestand die Notwendigkeit, die Strahlungseigenschaften der zu dieser Zeit weit verbreiteten Gasbeleuchtung und der elektrischen Beleuchtung genau zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurden an der Physikalisch Technischen Reichsanstalt (PTR), dem Vorläufer der heutigen Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB), hochgenaue Strahlungsnormale und Detektoren entwickelt, die auch im THz-Bereich funktionierten.

Zur selben Zeit entwickelte der Physikprofessor Heinrich Rubens in Berlin ein Verfahren, die so genannte Reststrahlenmethode, mit dem es möglich war, THz-Strahlung bis zu einer Wellenlänge von 50 Mikrometern bzw. einer Frequenz von 6 THz zu erzeugen. In Zusammenarbeit mit Friedrich Lummer von der PTR gelang es ihm, das Emissionsspektrum eines schwarzen Körpers hochpräzise bis in den THz-Bereich hinein zu vermessen. Bei einem Besuch des Ehepaars Rubens beim Ehepaar Planck im Oktober des Jahres 1900 diskutierten Heinrich Rubens und Max Planck die Ergebnisse. Noch am selben Abend notierte Planck die nach ihm benannte Formel zur Beschreibung des Emissionsvermögens eines schwarzen Körpers (Plancksches Strahlungsgesetz, siehe auch Artikel Max Planck). Dies war die Geburtsstunde der Quantenphysik. Planck sagte dazu 1923 in einer Gedenkrede auf Heinrich Rubens, der im Jahr zuvor gestorben war: "Ohne das Eingreifen von Rubens wäre die Formulierung des Strahlungsgesetzes und damit die Begründung der Quantentheorie vielleicht in ganz anderer Weise, vielleicht gar nicht einmal in Deutschland zustande gekommen" [1].

Anwendungen in der Grundlagenforschung

Sternentstehung, im optischen und THz-Bereich aufgenommen

Bildbeschreibung:
Sternentstehung in der galaktischen HII-Region RCW 120, aufgenommen im optischen Bereich (links, ESO Schmidt Telescope) und im Terahertz-Bereich (rechts, LABOCA-Kamera am APEX-Teleskop in den chilenischen Anden). Die weltgrößte Bolometer-Kamera für astronomische Submillimeter-Beobachtungen LABOCA wurde am Max-Planck-Institut für Radioastronomie in Bonn gebaut und ist speziell für die Untersuchung astronomischer Objekte mit extrem niedrigen Temperaturen ausgelegt. Solche Beobachtungen sind nicht einfach, da die Strahlung aus dem Weltall im Millimeter- und Submillimeterbereich sehr stark durch den Wasserdampf in der Erdatmosphäre absorbiert wird. Deshalb werden solche Teleskope an hochgelegenen trockenen Standorten errichtet, in diesem Fall in 5.100 Metern Höhe in der extrem trockenen Atacama-Wüste in Chile. Das LABOCA-Bild im Submillimeter-Bereich zeigt eine interstellare Wolke aus leuchtendem Gas, in der Sterne entstehen (Belichtungszeit der Aufnahme etwas mehr als drei Stunden). Expandierendes Gas führt zum Kollaps des umgebenden Gases in dichte Klumpen, die Keimzellen für die Entstehung neuer Sterne darstellen. Weil das Gas in diesen Klumpen nach wie vor sehr kalt ist (Temperaturen von ca. minus 250 Grad Celsius), kann es nur im Terahertz-Bereich beobachtet werden.

Eine der Hauptschwierigkeiten bei der Arbeit mit THz-Strahlung ist die Absorption durch die Erdatmosphäre, im Wesentlichen durch den darin vorhandenen Wasserdampf. Sie ist so stark, dass in weiten Teilen des THz-Bereichs schon nach wenigen Metern mehr als 90 Prozent der Strahlung absorbiert werden.

Viele physikalische Phänomene und Effekte spielen sich in einem Energiebereich ab, der der Energie von THz-Strahlung entspricht. Beispielsweise haben viele Moleküle Rotationsübergänge im THz-Bereich, d. h. sie emittieren Strahlung mit THz-Wellenlängen, wenn sie von einem Rotationszustand in einen anderen übergehen. Die Energielücke vieler Supraleiter sowie die Energie von Phononen (Gitterschwingungen) und Dotierungen in Halbleitern fallen ebenfalls in diesen Frequenzbereich. Dementsprechend vielfältig sind die Anwendungen von THz-Strahlung in der Grundlagenforschung.

Insbesondere in der Astronomie wird THz-Strahlung seit fast 40 Jahren beobachtet. Sie erlaubt nicht nur den Nachweis spezieller Moleküle im interstellaren Medium, sondern ermöglicht auch die Bestimmung von deren Temperatur und Dichte. Allerdings hat die hohe Absorption der THz-Strahlung in der Erdatmosphäre zur Folge, dass solche Beobachtungen nur von hochgelegenen Teleskopen oder von Flugzeugen bzw. Satelliten aus möglich sind. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet von THz-Strahlung ist die Bestimmung von Molekülen und deren Höhenverteilung in der Atmosphäre von Planeten. Messungen der Erdatmosphäre erlauben es insbesondere, Daten zu gewinnen, mit denen ein verbessertes Verständnis des Ozonlochs und der Erderwärmung möglich ist.

Kommerzielle Anwendungen

Streichholzschachtel im Licht von THz-Wellen

Bildbeschreibung:
Terahertz-Bilder einer geschlossenen Streichholzschachtel mit unterschiedlichem Inhalt. Dieser ist im Licht der THz-Strahlung durch die Schachtel hindurch gut zu erkennen. Mittlere Spalte, von oben nach unten: Klebestreifen, Büroklammer und Aspirintablette. Die Aspirintablette lässt sich anhand ihres THz-Spektrums identifizieren. Linke Spalte: Fotos zeigen den jeweiligen Inhalt der Schachtel.

Der technologische Fortschritt der vergangenen Jahre in Elektronik und Optik führte dazu, dass immer leistungsfähigere Strahlungsquellen und Detektoren im THz-Bereich zur Verfügung stehen. Damit ist die Grundlage für eine wirtschaftliche Nutzung der THz-Technologie gelegt. Für diese Anwendungen werden drei wesentliche Eigenschaften von THz-Wellen genutzt: ihre Fähigkeit, zahlreiche Materialien wie z. B. Kunststoff und Kleidung zu durchdringen; die Tatsache, dass z. B. Explosivstoffe, aber auch Pharmazeutika charakteristische THz-Spektren haben; und die Tatsache, dass THz-Strahlung aufgrund ihrer geringen Energie nicht ionisierend ist.

THZ-Spektren verschiedener Wirkstoffe im Vergleich

Bildbeschreibung:
Bei Bestrahlung mit THz-Wellen zeigen verschiedene Stoffe charakteristische Absorptionsspektren, anhand derer sie unterschieden werden können. Im Bild die Absorptionsspektren von MDMA (einem Inhaltsstoff von Ecstasy), Methamphetamin und Acetylsalicylsäure (Aspirin-Wirkstoff) im Vergleich.

Vielversprechende Anwendungsgebiete liegen in der Sicherheitstechnik, in der zerstörungsfreien Prüfung und in der industriellen Inspektion. Bei den Sicherheitsanwendungen besteht das Ziel darin, am Körper verborgene, sicherheitsrelevante Gegenstände zu identifizieren, ohne die Privatsphäre der Person zu verletzen. Ermöglicht wird dies durch die besonderen Durchdringungseigenschaften von THz-Wellen sowie die Tatsache, dass sie für den Menschen ungefährlich sind. In ähnlicher Weise können auch Kunststoffe, die gut mit THz-Wellen durchleuchtet werden können, untersucht werden. Das wohl bekannteste Beispiel ist die Qualitätsüberprüfung der Kunststoffisolierung am Space Shuttle, die mit THz-Strahlung erfolgt.

Weitere Anwendungsgebiete liegen in der Biomedizin, wo an neuen Diagnoseverfahren, z. B. für Krebs, gearbeitet wird. Auch in der Kommunikationstechnik eröffnen THz-Wellen neue Möglichkeiten, da sie eine erheblich größere Übertragungsbandbreite und damit höhere Datentransferraten erlauben, als es derzeit bei der drahtlosen Übertragung mittels kleinerer Frequenzen der Fall ist. Die hohe Absorption von THz-Wellen in der Atmosphäre beschränkt diese Anwendung allerdings auf die Kommunikation innerhalb von Gebäuden.

[1] M. Planck, Gedächtnisrede auf Heinrich Rubens, in: Sitzungsberichte der Preußischen Akademie der Wissenschaften S. CVIII-CXII, 1923.