Wenn ultrakurze Elektronenpakete beschleunigt und abrupt gestoppt werden, können sie Terahertz-Strahlung erzeugen

Die Ausbreitung geladener Teilchen in einem Medium mit einer Geschwindigkeit, die die Phasengeschwindigkeit des Lichts im Medium überschreitet (diese Geschwindigkeit wird auch Überlichtgeschwindigkeit genannt), führt zur Erzeugung von Strahlung. Das Diagramm der während dieses Vorgangs erzeugten Strahlung weist eine konische Struktur auf. Dieser Effekt, der als Tscherenkow-Effekt bezeichnet wird, hat viele grundlegende und angewandte Anwendungen und seine Erklärung wurde 1958 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Ein ähnliches Phänomen stellt der schräge Lichteinfall auf die Grenzfläche zwischen zwei Medien dar; hierbei bildet sich entlang der Grenzfläche eine Welle aus sekundären Strahlungsquellen, die sich mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die größer ist als die Phasengeschwindigkeit des Lichts.

Die Brechung und Reflexion von Licht an einer Schnittstelle ist das Ergebnis der Addition der Amplituden von Wellen aus allen Quellen, die während des Lichteinfalls entstehen. Betrachtet man die Schnittstelle mit fotoemittierendem Material – die Kathode, auf die das Licht schräg einfällt und Elektronenemission verursacht –, dann bildet sich entlang der Kathodenoberfläche eine Elektronendichtewelle mit Überlichtgeschwindigkeit.

Dieses Phänomen geht mit der Erzeugung von Sekundärstrahlung einher. Das Anlegen eines äußeren elektrischen Felds führt bei solchen Quellen zur Beschleunigung von Elektronen und in der Folge zu einer Erhöhung der Elektronenenergie und der Sekundärstrahlung.

Forscher des Prochorow-Instituts für Allgemeine Physik der Russischen Akademie der Wissenschaften haben vorgeschlagen, die Bildung einer Überlichtwelle aus Elektronenemissionsquellen zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung zu nutzen. Studiemit dem Titel „Gepulste THz-Strahlung unter ultraschneller optischer Entladung einer Vakuum-Photodiode“ wurde veröffentlicht in Grenzen der Optoelektronik.

Die Grundidee besteht darin, ultrakurze Laserpulse auf die Oberfläche der Kathode anzuwenden, was zur Bildung eines ultrakurzen Elektronenpakets führt. Anschließend werden die Elektronen durch ein äußeres Feld beschleunigt und in einer dünnen Dielektrikumschicht abrupt gestoppt, was zur Erzeugung elektromagnetischer Pulse im Mikrowellen- und Terahertzbereich führt.

Die Autoren schlagen vor, solche Quellen durch die Erhöhung der Effizienz photoemissiver Beschichtungen zu skalieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit eröffnen neue Quellen für THz-Strahlung für Aufgaben der breitbandigen nichtinvasiven Tomographie, Bildgebung, Radar und Leistungseffekte auf Elektronik.