Erzeugung intensiver Terahertzwellen mit magnetischem Material

Terahertzwellen werden von Forschern auf der ganzen Welt intensiv untersucht, um die „Terahertzlücke“ zu verstehen. Terahertzwellen haben eine spezifische Frequenz, die sie irgendwo zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht einordnet. Dieser Bereich wird als „Lücke“ bezeichnet, weil über diese Wellen noch vieles unbekannt ist.

Tatsächlich ist es erst seit relativ kurzer Zeit möglich, die Technologie zu ihrer Erzeugung zu entwickeln. Forscher der Tohoku-Universität haben uns dabei geholfen, diese Wellen besser zu verstehen und diese Wissenslücke zu schließen.

Forscher am Advanced Institute for Materials Research (WPI-AIMR) und der Graduate School of Engineering haben ein neues magnetisches Material entdeckt, das Terahertzwellen mit einer etwa viermal höheren Intensität erzeugt als herkömmliche magnetische Materialien.

Diese Technologie nutzt die einzigartigen Eigenschaften der Terahertz-Wellen und dürfte in zahlreichen Industriebereichen zum Einsatz kommen, unter anderem in der Bildgebung, der medizinischen Diagnostik, der Sicherheitskontrolle und der Biotechnologie.

Assistenzprofessor Ruma Mandal (WPI-AIMR) erklärt: „Terahertzwellen haben niedrige Photonenenergien und geben im Gegensatz zu Röntgenstrahlen keine ionisierende Strahlung ab. Wenn sie also für die Patientenbildgebung oder für Mikroskope verwendet werden, sind sie möglicherweise weniger schädlich für Gewebe oder Proben.“

Mit diesen Anwendungen im Hinterkopf wollte ein Forscherteam der Tohoku-Universität einen effizienten, kompakten, robusten und kostengünstigen Terahertzwellenemitter entwickeln. Es wurde gezeigt, dass Weyl-Magnete – eine Art topologisches Material – einen enormen anomalen Hall-Effekt erzeugen, der sie für die Erzeugung von Terahertzwellen geeignet macht.

In diesem Studiejetzt erschienen in NPG Asia Materialienwurden Einkristall-Dünnschichtproben eines Weyl-Magneten aus einer Kobalt-Mangan-Gallium-Heusler-Legierung hergestellt und unter verschiedenen Bedingungen untersucht.

Es wurde festgestellt, dass der riesige anomale Hall-Effekt, der aus der topologischen elektronischen Struktur resultiert, die nur bei Weyl-Magneten vorkommt, die photoinduzierten Terahertz-Wellen verstärkt. Diese Leistung wird unser Verständnis des Zusammenspiels von Licht und Spin in Weyl-Magneten vertiefen.

„Zwar ist die Intensität der erzeugten Terahertz-Wellen noch immer geringer als bei bisher entwickelten Spin-Anregungs-Terahertz-Emittern“, sagt Professor Shigemi Mizukami, „aber der Aufbau ist einfacher und teure Schwermetalle wie Platin werden nicht mehr benötigt.“

Mandal und seinen Kollegen gelang es, die Fähigkeit dieses magnetischen Materials, Terahertzwellen zu erzeugen, experimentell nachzuweisen, so dass es in spintronischen Geräten und anderen wichtigen Anwendungen eingesetzt werden kann. Eine solche Entdeckung in einem neu entstehenden Bereich könnte die Zukunft der Technologien der nächsten Generation prägen.