Spintronik: Physiker entwickeln Terahertz-Quellen im Miniaturformat

Terahertz-Strahlen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen Mikrowellen und dem unsichtbaren Infrarotbereich. Sie werden zum Beispiel in der Materialforschung eingesetzt, um undurchsichtige Materialien zu untersuchen. "Terahertz-Strahlung wirkt nicht ionisierend, sie kann keine Elektronen aus Atomen entfernen und ist damit im Gegensatz zur Röntgenstrahlung gesundheitlich unbedenklich. Sie wird zum Beispiel in den Personenscannern auf Flughäfen verwendet", erklärt der Physiker Prof. Dr. Georg Woltersdorf von der MLU. Bislang lässt sich die Strahlung nur mit relativ komplexen Anlagen erzeugen, weshalb sie in der Forschung noch nicht sehr häufig zum Einsatz kommt. Gemeinsam mit Forschern der Freien Universität Berlin arbeitete das Team von Woltersdorf an einem neuen Ansatz. "Unsere Idee ist es, diesen Prozess im Miniaturformat umzusetzen und die Strahlung genau an der Stelle zu erzeugen, an der sie gebraucht wird - zum Beispiel direkt auf einem elektronischen Chip", sagt Woltersdorf.

Für ihre Experimente nutzten die Physiker einen Hochleistungslaser, der Lichtpulse mit einer Pulsdauer von etwa 250 Femtosekunden erzeugt. Eine Femtosekunde entspricht dem billiardsten Teil einer Sekunde. Diese extrem kurzen optischen Pulse wurden dann auf eine magnetische Nanostruktur gelenkt, um die darin befindlichen Elektronen anzuregen. "Dadurch lässt sich ein intensiver Spin-Strompuls erzeugen", erklärt Woltersdorf. Der Spin ist einfach gesagt das Eigendrehmoment der Elektronen und bildet die Grundlage des Magnetismus. Werden die Elektronen angeregt, fließt ein so genannter Spin-Strom durch die Grenzflächen der Nanostruktur. Dieser wird durch den sogenannten inversen Spin-Hall-Effekt zu einem Terahertz-Strompuls umgewandelt. So entsteht die gewünschte Terahertz-Strahlung auf dem Chip und kann direkt in Leiterbahnen eingekoppelt und verwendet werden. "Außerdem lässt sich die Polarität des Stroms durch ein äußeres Magnetfeld einstellen. Das war bislang nicht möglich", so Woltersdorf abschließend.

Die Anwendungsmöglichkeiten dieser Miniatur-Terahertz-Quelle reichen von der Forschung über die Hochfrequenzelektronik und die Medizin bis hin zur Materialprüfung oder der Kommunikationstechnologie.

Die Studie wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des SFB-TRR 227 "Ultraschnelle Spindynamik" und des SPP 1538 "Spin Caloric Transport (SpinCaT)" gefördert.

Studie: Hoppe W. et al. On-Chip Generation of Ultrafast Current Pulses by Nanolayered Spintronic Terahertz Emitters. ACS Applied Nano Materials (2021). doi: 10.1021/acsanm.1c01449

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