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Elektromagnetismus: Kristalle für die Strahlenlücke

Zwischen Mikrowellen und Infrarotlicht liegt beinahe unerforschtes Neuland. Es ist das Reich der Terahertz-Strahlung, für das die Wissenschaft bislang nur unzureichende Sender und Empfänger hat. Das könnte sich mit einer Kombination von Supraleitern und einem Kniff aus der Lasertechnik demnächst ändern.
Wir begegnen ihr täglich. Ja, wir senden sie sogar selbst aus. Terahertz-Strahlung ist von Natur aus nichts Exotisches. Mit Wellenlängen zwischen 1 Millimeter und 10 Mikrometern – was Frequenzen im Bereich von 300 Gigahertz bis 10 Terahertz entspricht – ist sie Teil der Wärmestrahlung, die Körper absondern.

Ihre Photonen sind energiereicher als jene der Mikrowellen und energieärmer als bei Infrarotlicht. Und sie sind technisch nur schwierig zu produzieren und zu messen: Ein Magnetron wie im Mikrowellenherd oder eine Diode wie bei der Fernbedienung gibt es für Terahertz-Strahlung nicht.

Terahertz-Strahlung gegen Krebs

Was viele Forscher äußerst bedauerlich finden. Denn Terahertz-Strahlung hat beim Zusammentreffen mit Materie ihre ganz eigenen Vorlieben, die sich wunderbar für Forschungszwecke nutzen ließen. So dringen die Wellen durch viele Materialien ungehindert hindurch, werden aber von Wasser absorbiert. Richtig eingesetzt liefern sie darum Einblicke in den Aufbau von Gasen, Flüssigkeiten und Festkörpern, die zusammen mit optischen und Röntgenuntersuchungen ein komplettes Bild ergeben. Aber auch für sich allein versprechen Terahertz-Messungen viel Gutes, indem sie beispielsweise bei einigen Krebsformen zwischen Tumoren und gesundem Gewebe unterschieden können.

Eine der heutzutage technisch angewandten Methoden, um die begehrte Terahertz-Strahlung zu gewinnen, arbeitet mit quantenphysikalischen Effekten an Supraleitern. Sogenannte Josephson-Kontakte bestehen aus ultradünnen Schichten eines supraleitenden Materials und dazwischen liegenden Isolatoren. Legt man von außen eine elektrische Spannung an, überspringen die leitenden Elektronenpaare in den Supraleitern die Isolator-Barriere, indem sie einfach hindurchtunneln.

Ein Trick, der nur bei extrem niedrigen Temperaturen funktioniert, wie sie flüssiges Helium oder flüssiger Stickstoff liefern und bei dem Supraleiter tatsächlich widerstandsfrei den Strom leiten. Die dabei ausgesandte Strahlung liegt zwar im gewünschten Frequenzbereich, ist aber für jeden einzelnen Josephson-Kontakt nur sehr schwach.

Ab durch den Tunnel

Eine denkbare Lösung für das Intensitätsproblem bestünde darin, mehrere Einheiten zu stapeln und synchron schwingen zu lassen. Zumindest in Bezug auf die Stapelung bietet sich der Supraleiter Bi2Sr2CaCu2O8 (kurz: BSCCO) an, in dem mehrere Schichten supraleitendes Kupferoxid (CuO2) enthalten sind. Allerdings hapert es mit dem Gleichtakt, was die Strahlenleistung in nutzbarer Distanz auf wenige Billionstel Watt herabsinken lässt.

Diese fehlende Harmonie hat nun ein internationales Team von Wissenschaftlern um Ulrich Welp vom US-amerikanischen Argonne National Laboratory mit einem Kniff aus der Lasertechnik erreicht. In diesen Lichtquellen werden Photonen zwischen zwei Spiegeln reflektiert und durchlaufen immer wieder das aktive Medium. Dabei regen sie zunehmend Atome zur Emission weiterer Photonen an, die vollkommen in Phase mit dem schon vorher vorhandenen Licht schwingen. Es baut sich innerhalb dieses optischen Resonators eine extreme Intensität auf, von der ein Teil als Laserstrahl durch einen der Spiegel entweicht.

Im richtigen Takt

Die Aufgabe der Spiegel übernahmen in den Experimenten der Forscher einfach die Oberflächen der BSCCO-Kristalle. Zwischen ihnen bildet sich eine stehende elektromagnetische Welle aus, die den Josephson-Kontakten ihren Rhythmus aufzwängt. Bei 500 gekoppelten Schichten stieg die Strahlungsleistung so auf 0,5 Mikrowatt bei 0,85 Terahertz – immerhin eine Verbesserung um einen Faktor von etwa 10 000 gegenüber früheren Versuchen. Mit einiger Optimierung könnte die Leistung sogar bis zu einem Milliwatt erreichen, glauben die Wissenschaftler.

Die Terahertz-Lücke ist mit diesen Ergebnissen noch keineswegs geschlossen. Aber wenigstens gibt es nun einen kleinen Brückenkopf, von dem aus weitere Experimente gestartet werden können. Und ist auch dieser Bereich des elektromagnetischen Spektrums erst erreichbar und manipulierbar, werden die technischen Anwendungen mit Sicherheit folgen. Schon jetzt träumen Ingenieure von Breitbanddatenfunk über Terahertz-Strahlung. Wenigstens eine neue Generation von Handys steht dann also vor der Tür.

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