Supraleiterquelle für Terahertzstrahlen

Terahertzstrahlen liegen zwischen Infrarotstrahlen und Mikrowellen und finden immer mehr Anwendungen. Ein internationales Forscherteam entwickelte nun aus Supraleitern eine viel versprechendes Terahertz-Modul.

Argonne (USA)/Tsukuba (Japan) - Terahertzstrahlen durchleuchten Materialien, Flugpassagiere oder biologische Proben. Doch mangelt es noch an effizienten Quellen für diesen Abschnitt des elektromagnetischen Spektrums. Wie das Forscherteam in der Zeitschrift "Science" berichten, taugt das von ihnen entwickelte Terahertz-Modul für den Aufbau kleiner, handlicher Quellen.

"Wir zeigen, dass Terahertzstrahlung mit einer Leistung im Mikrowatt-Bereich produziert werden kann", schreibt das Team um Ulrich Welp vom Argonne National Laboratory. Zusammen mit türkischen und japanischen Kollegen vom Izmir Institut für Technologie und von der Tsukuba Universität bauten sie eine Quelle, das für die Aussendung zwischen 0,5 und 2 Terahertz geeignet ist. Unter dieser Lücke liefern Halbleiter-Module, oberhalb davon Laser bereits effizient Terahertzstrahlung.

Der Schlüssel zu diesem Erfolg liegt in so genannten Josephson-Kontakten. Diese existieren in geschichteten Hochtemperatursupraleiter aus der VerbindungWismutstrontiumkalziumcuprat (BSCCO). Die unter minus 220 Grad supraleitenden Cuprat-Lagen werden darin durch dünne nicht supraleitenden Barrieren aus Wismutoxid und Strontiumoxid voneinander getrennt. Jeder Josephson-Kontakt ist dabei etwa 1,5 Nanometer dick. Liegt nun eine Gleichspannung an diesem Kontakt an, oszilliert der durch den Kontakt fließende Strom. Dabei wird Terahertzstrahlung in dem gewünschten Frequenzbereich ausgesendet.

Die Effizienz dieses Effekts ist mit einer Ausgangsleistung im Picowatt-Bereich eigentlich zu gering für eine nutzbare Terahertzquelle. Doch Welp und Kollegen konnten nun bis zu 670 dieser gestapelten Josephson-Kontakte miteinander synchronisieren. Bisher erreichten sie eine Ausgangsleistung von einem halben Milliwatt bei einer Frequenz von 1,6 Terahertz. Doch nach Aussage der Forscher besteht eine berechtigte Hoffnung, diesen Wert für kohärente Terahertzstrahlung deutlich steigern zu können.

"In Zukunft könnten solche Strukturen als sinnvolle Mikrometer kleine Terahertz-Quellen dienen", schreibt Reinhold Kleiner von der Universität Tübingen in einem begleitenden Kommentar. Bis dahin müssen noch der genaue Anregungsmechanismus und Fragen zur Stabilität des Moduls geklärt werden. Doch hofft Kleiner, dass das Forschungsgebiet für Quellen im unteren Terahertzspektrum durch dieses Ergebnis nun stimuliert wird.