Von der Quantenmechanik zur Terahertzwelle
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Berichte zu den Praktika 2013 »Gemeinsam für nachhaltige Entwicklung – The Future We Want« Eine Initiative des Bundesministeriums für Wissenschaft und Forschung Peter Stürmer Von der Quantenmechanik zur Terahertzwelle Der Startrek Tricorder muss keine Fiction bleiben Was ist THz? Der Terahertz(THz)-Bereich befindet sich im elektromagnetischen Spektrum zwischen infrarotem Licht und Mikrowellenstrahlung und liegt im Bereich von 100 GHz bis 30 THz (siehe Abbildung 1). Das THz-Spektrum ist schon seit Langem interessant für Forschung in diversen Bereichen, jedoch erst seit Kurzem technologisch zugänglich. Es gibt unzählige nachhaltige Anwendungsbereiche von THz-Strahlung in Gebieten wie Biologie und Medizinwissenschaft (Zhang, C. H. et al., 2012), zerstörungsfreier Untersuchung (www.ctr.at), Qualitätskontrolle von Nahrungsmitteln und landwirtschaftlichen Erzeugnissen (Yan, Zanke et al.) oder der globalen Umweltüberwachung (global environmental monitoring) (Tonouchi, Masayoshi et al., 2007). In letzter Zeit gab es etliche Durchbrüche in diesem Bereich, wie zum Beispiel bildgebende Verfahren (THz-imaging) (Darmo, Juraj et al., 2004), die konventionellen Methoden in vielerlei Hinsicht überlegen sind. Außerdem wurden viele innovative THz-Geräte, unter anderem der THz QCL (Terahertz Quantum Cascade Laser) (Köhler, Rüdiger et al., 2002), also der Terahertz-Quantenkaskadenlaser entwickelt, der eine kompakte, kohärente Quelle für THzLaserstrahlung ist. Dieser Bericht soll nachhaltige Anwendungsbereiche von THz-Strahlung verdeutlichen und meinen Praktikumsverlauf schildern. Abbildung 1: THz-Strahlung befindet sich zwischen dem Mikrowellenund Infrarotbereich Warum THz? Verschiedene Materialien sind für THz-Strahlung transparent, welche für normales Licht mit der Wellenlänge von 780 nm-380 nm, also der Frequenz 384 THz – 789 THz, nicht transparent sind, d.h. man kann diese durchleuchten. Im Gegensatz zu Röntgenstrahlung sind THz-Wellen nicht ionisierend, d.h. ungefährlich für den Menschen. Da verschiedene Moleküle charakteristische Absorptionslinien im THz-Bereich aufweisen, können diese so exakt identifiziert werden. Zum Beispiel hat Ammoniak (NH3) eine Absorptionslinie bei 1,8THz. Nun werden die einzelnen Anwendungsbereiche von THz-Strahlung erläutert: STÜRMER Seite 1 von 4 Berichte zu den Praktika 2013 »Gemeinsam für nachhaltige Entwicklung – The Future We Want« Eine Initiative des Bundesministeriums für Wissenschaft und Forschung THz-imaging Wie bereits erwähnt können THz-Wellen viele Materialien, die normales Licht blocken, durchdringen. Da THz-Wellen eine kürzere Wellenlänge haben als Mikrowellen, welche ähnliche Eigenschafe aufweisen, kann mit THz-Strahlung bei bildgebenden Verfahren (imaging) eine höhere Auflösung erzielt werden, welche wellenlängenabhängig ist. Strahlen können mit Spiegeln oder Linsen fokussiert werden und durch das Scannen des Strahls erhält man ein Bild. Eigenheiten von THz-Strahlung wie die starke Absorption von Wassermolekülen können zum Beispiel dazu verwendet werden, zusätzliche, ortsaufgelöste, materialspezifische Informationen zu erhalten, um Nahrungsmittel zu kontrollieren, um Schäden zu evaluieren oder den Wasseranteil zu bestimmen, um fettes von magerem Fleisch zu unterscheiden. Earth Environmental Monitoring THz-Technologie ist heutzutage im Bereich der globalen Umweltüberwachung sehr wichtig. Das Erd-Beobachtungs-System Microwave Limb Sounder (EOS-MLS) an Bord des AuraSatelliten der NASA, der im Juli 2004 startete, beobachtet atmosphärisch-chemische Stoffe. Außerdem können Wolken und Eis aufgespürt und Temperatur- und andere Messungen vorgenommen werden (Waters, J.W. et al., 2006). Das System misst thermische Emission im THz-Bereich und kann somit Informationen über die Ozonschicht erlangen, um die globale Erwärmung und die Frage, wie die atmosphärische Zusammensetzung das Klima beeinflusst, besser zu verstehen. Sicherheit Jede Chemikalie hat ein eindeutiges Kennzeichen in ihrem THz-Transmissionsspektrum. Dadurch bieten sich sehr viele Anwendungsmöglichkeiten im Bereich der sozialen Nachhaltigkeit an. Zum Beispiel kann man dadurch illegale Drogen und Sprengstoffe von harmlosen Stoffen unterscheiden. Dadurch können zum Beispiel Flughafenkontrollen schneller durchgeführt und die Privatsphäre von Individuen geschont werden. Problem und Lösung Um THz-Strahlung zu generieren, braucht man Quellen. Diese sollten kohärent, zuverlässig und kompakt sein. Das Problem ist jedoch, dass es wenige solche Quellen gibt. Als eine Lösungsmöglichkeit kann der QCL (Quantum Cascade Laser) angesehen werden. Der erste funktionsfähige THz-QCL wurde im Jahr 2001 demonstriert (Köhler, Rüdiger et al., 2002). Derzeit erreicht man Laser-Frequenzen von 1,2THz bis 5THz (Walther, Christoph et al., 2007) (Chan, Chun Wang I. et al., 2012). STÜRMER Seite 2 von 4 Berichte zu den Praktika 2013 »Gemeinsam für nachhaltige Entwicklung – The Future We Want« Eine Initiative des Bundesministeriums für Wissenschaft und Forschung Die Vorteile von QCLs bestehen darin, dass sie elektrisch betrieben werden können, klein und robust sind, ein schmalbandiges Spektrum haben und eine vergleichbar hohe Leistung erzielen. Der größte Vorteil von QCLs ist die durch quantenmechanische Methoden beliebig einstellbare Frequenz, wodurch mit diesem Konzept ein sehr umfangreiches Spektrum zugänglich wird. Natürlich gibt es keinen Vorteil ohne Nachteil. Dieses Abbildung 2: Unser THz-QCL im Rasterelektronenmikroskop. Das Licht wird von den Facetten emittiert. Prinzip gilt auch für den THz-QCL, denn den vielen Vorteilen steht eine niedrige maximale Operationstemperatur gegenüber, welche zusätzliche Kühlung notwendig macht. Die derzeitigen Ziele von THz-QCLs sind, den Schwellenstrom und die erreichbaren Frequenzen zu reduzieren und die Betriebstemperatur und die Reichweite der einstellbaren Frequenzen zu erhöhen. Praktikum Im Zuge meines Praktikums durfte ich beim Entwicklungsprozess eines Hochleistungs-THzQCL (Leistung: 470 mW) von der Entwicklung im Reinraum bis zur Messung im Labor mitwirken, wobei ich tiefe Einblicke in die Halbleiterphysik bekam. Der Startrek-Tricorder ist keine Fiktion mehr Aus der Fernsehserie Startrek kennt man den sogenannten Tricorder, mit dem die Protagonisten verschiedene Analysen vornehmen können, wie zum Beispiel die Bestimmung der Anwesenheit von Personen in der näheren Umgebung oder das Vorliegen von Substanzen. Abbildung 3 zeigt eine schematische Darstellung eines solchen Geräts. Ein Tricorder muss keine Fiktion bleiben, da mit der Erschließung des THz-Bereiches weitere Frequenzen zugänglich sind und so das nutzbare elektromagnetische Spektrum immens erweitert wurde. Als Lichtquelle könnte man aufgrund der vielen einstellbaren Frequenzen einen QCL verwenden, der Photonen in Richtung des Objektes sendet. Ein Detektor, der sich auch im Tricorder befindet, misst das reflektierte Licht des Objektes. Danach kann die Substanz aufgrund des charakteristischen Absorptionsspektrums bestimmt werden. STÜRMER Seite 3 von 4 Berichte zu den Praktika 2013 »Gemeinsam für nachhaltige Entwicklung – The Future We Want« Eine Initiative des Bundesministeriums für Wissenschaft und Forschung Mit dem Tricorder hätte man ein Gerät, mit dem man unterschiedliche Messungen in verschiedenen Anwendungsbereichen durchführen kann. Zum Beispiel könnte man ihn in Abbildung 3: Schematische Funktionsweise eines Tricorder: Im Tricorder integriert sind ein QCL und ein Detektor. der Medizin als Diagnosegerät verwenden oder in der Wissenschaft diverse Stoffanalysen mit ihm vornehmen. Durch die Kompaktheit des QCL eignet sich dieser hervorragend als Lichtquelle in einem Tricorder, da dieser handlich und robust sein soll. Literaturverzeichnis Chan, Chun Wang I. et al., 2012: Ground state terahertz quantum cascade lasers. Appl. Phys. Lett. 101, 2012. Darmo, Juraj et al., 2004: Imaging with a Terahertz quantum cascade laser. Optics Express, Vol. 12, 2004. Köhler, Rüdiger et al., 2002: Terahertz semiconductor heterostructure laser. Nature 417, 2002. Tonouchi, Masayoshi et al., 2007: Cutting-edge terahertz technology“, Nature photonics, Vol. 1, 2007. Walther, Christoph et al., 2007: Quantum cascade lasers operating from 1.2 to 1.6 THz. Appl. Phys. Lett. 91, 2007. Waters, J.W. et al., 2006: The earth observing system microwave limb sounder (EOS MLS) on the aura Satellite. IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing 44, 1075-1092, 2006. www.ctr.at, 2013: www.ctr.at/en/r-d-technologies/terahertz.html, 25.7.2013. Yan, Zanke et al.: Research progress of terahertz wave technology in food inspection. Proc. of SPIE, Vol. 6373 63730R. Zhang, C. H. et al, 2012: Terahertz Imaging on Subcutaneous Tissues and Liver Inflamed by Liver Cancer Cells. Terahertz Science and Technology, Vol. 5, No. 3, 2012. Bericht zum Praktikum von Peter Stürmer Betreuung: Prof. Dr. Karl Unterrainer; Technische Universität Wien, Institut für Photonik STÜRMER Seite 4 von 4
