Forscher entwickeln neuartigen Detektor

Schnelle „Stopp-Uhr“ für Lichtblitze im Terahertz-Bereich Wissenschaftler im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) haben gemeinsam mit Forschern der Universität Regensburg einen neuen Detektor entwickelt, der mit hoher Genauigkeit die Ankunftszeit eines Laserpulses im Terahertz-Bereich messen kann. Der robuste und schnelle Detektor wurde bereits erfolgreich am Freie-Elektronen-Laser (FEL) des HZDR getestet. Mit ihren in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ (DOI: 10.1063/1.4813621) publizierten Ergebnissen liefern die Forscher zugleich eine Bauanleitung für ihr System. Freie-Elektronen-Laser (FEL) sind äußerst vielseitige Forschungsgeräte. Mit ihren superkurzen Lichtblitzen kann man neue Materialien oder auch biologische Moleküle besonders gut untersuchen und auf diese Weise bisher unbekannte Effekte beobachten. Für viele Experimente ist es allerdings extrem wichtig, die genaue Ankunftszeit der einzelnen Lichtpulse zu kennen. Bislang war dies aber mit großen Schwierigkeiten verbunden. So sind herkömmliche Detektoren zumeist auf einen engen Wellenlängenbereich beschränkt und können daher jeweils nur in einem kleinen Bereich im mittleren oder fernen Infrarotbereich eingesetzt werden. Nicht so das neue Detektorsystem des Forscherteams aus Dresden und Regensburg, das in einem großen Bereich des elektromagnetischen Spektrums zur Anwendung kommt. Der Detektor basiert auf einer winzigen Flocke aus Graphen – einem Material, um das ein regelrechter Forschungsboom entstanden ist, seit seine Entdeckung im Jahr 2010 mit dem Nobelpreis belohnt wurde. Der Werkstoff, der nur aus einer einzelnen Lage Kohlenstoff-Atome besteht, ist zugleich dünn, transparent und stabil. Zudem absorbiert Graphen auch Licht im unsichtbaren Infrarotbereich und die Elektronen können sich sehr schnell durch das Material bewegen. „Die Eigenschaft von Graphen, Lichtteilchen in einem sehr großen Wellenlängenbereich zu absorbieren, war die Voraussetzung für unseren robusten und auch bei Zimmertemperatur einsatzbereiten Detektor. Die große Beweglichkeit der Elektronen im Graphen ermöglicht dabei die hohe Schnelligkeit“, erläutert Martin Mittendorff vom HZDR. Auf der Grundlage eines entsprechenden Detektor-Konzepts erarbeitete der Physiker Josef Kamann aus der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Dieter Weiß vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg einen ersten Prototypen. Dieser erwies sich bei allen Tests am Freie-Elektronen-Laser des HZDR als schnell und beständig. Mittendorff und seine Regensburger Kollegen arbeiten nun an einer Weiterentwicklung ihres Systems, das einen noch größeren Wellenlängenbereich abdecken soll – angefangen von ultraviolettem Licht bis hin zum fernen Infrarot. Das Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen in Rossendorf (ELBE) bietet hierfür hervorragende Möglichkeiten. Hier sind unter einem Dach zwei Freie-Elektronen-Laser (FELBE) mit Terahertz- bzw. Infrarotstrahlung sowie die neuartige TELBE-Quelle vereint, die den im HZDR verfügbaren Spektralbereich der Terahertz-Strahlung in den nächsten Jahren erheblich erweitern soll. Die Forschungsarbeiten im HZDR und an der Universität Regensburg werden unter anderem im Schwerpunktprogramm „Graphen“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Titel der Original-Publikation: M. Mittendorff, S. Winnerl, J. Kamann, J. Eroms, D. Weiss u.a., Utrafast graphene-based broadband THz detector, in: Applied Physics Letters 103, 021113 (2013); DOI: 10.1063/1.4813621 http://apl.aip.org/resource/1/applab/v103/i2/p021113_s1