Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität zu Köln konnte ein neuartiges Material dazu bringen, die Frequenz eines Terahertz-Strahlungsblitzes erstmals um das Siebenfache zu erhöhen. Technisch ist es alles andere als einfach, Taktraten und Frequenzen noch weiter zu steigern als bisher möglich. Der Terahertz-Bereich gilt als eine Art Schallmauer – weshalb Forscher in aller Welt verstehen wollen, wie Terahertz-Felder mit neuartigen Materialien interagieren. Ein vielversprechendes Ergebnis hat nun eine experimentelle Studie, die vom Physiker Dr. Zhe Wang von der Universität zu Köln konzipiert und am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) durchgeführt wurde, geliefert. Das Prinzip kann man sich wie bei einem Klavier vorstellen, bei dem die Taste A gespielt. Man hört nicht nur den Klang einer einzigen Grundfrequenz, sondern ein Klangspektrum, das auch aus den höheren Frequenzen besteht. Das Forscherteam hat nun ein ähnliches Phänomen im neuartigen Quantenmaterial - Cadmiumarsenid Cd3As2 - realisiert, in dem die Frequenz elektromagnetischer Wellen um bis zum Siebenfachen erhöht ist. Die Studie wurde im Fachmagazin Nature Communications veröffentlicht.

Cd3As2 gehört zur Klasse der sogenannten Dirac-Materialien. Die Elektronen in diesen Materialien haben eine besondere Beziehung zwischen ihrer Energie und Geschwindigkeit. Sie können sehr schnell und effizient sowohl miteinander als auch mit schnell schwingenden elektrischen Wechselfeldern interagieren. Von theoretischer Seite wurde vorhergesagt, dass diese spezielle Beziehung zu einer sehr effizienten Erzeugung von Oberton-Frequenzen, den genannten Harmonischen führt, wenn das Dirac-Material mit elektromagnetischer Strahlung mit Frequenzen im Terahertz-Bereich (1012 Hz) wechselwirkt. Dies macht die Materialien vielversprechend für Hochfrequenzanwendungen.

Eine experimentelle Beobachtung der Erzeugung von hohen Harmonischen hängt von der Verfügbarkeit eines hochwertigen dünnen Films aus Cd3As2 und intensiver Terahertz-Strahlung ab. In Zusammenarbeit mit Forschern aus Dresden und Shanghai wurde das Experiment nun an der TELBE-Beamline des Helmholtz Zentrums Dresden Rossendorf erfolgreich durchgeführt. Mit einem Spezialverfahren fertigten sie hauchdünne und hochreine Plättchen aus Cadmiumarsenid an. Diese Materialproben beschossen sie mit starken Terahertz-Pulsen aus der TELBE-Anlage. Detektoren hinter der Rückseite des Plättchens erfassten, wie das Cadmiumarsenid auf die Strahlungspulse reagierte. Das Resultat: „Wir konnten zeigen, dass Cadmiumarsenid als sehr effizienter Frequenz-Vervielfacher fungiert und diese Effizienz vor allem auch bei den sehr starken Terahertz-Pulsen, die bei TELBE erzeugt werden können, nicht verliert“, berichtet der Zhe Wang vom II. Physikalischen Institut der Uni Köln, der an der Studie beteiligt war. Mit dem Experiment gelang eine Premiere: Erstmals zeigte sich das Phänomen bis zur siebten Terahertz-Frequenzvervielfachung bei dieser noch jungen Materialklasse.

Die Elektronen im Cadmiumarsenid antworten auf die Beschleunigung, indem sie elektromagnetische Strahlung abgeben. Das Entscheidende: Dabei folgen sie nicht exakt dem Taktstock des Terahertz-Feldes, sondern schwingen auf komplizierteren Bahnen – eine Folge der ungewöhnlichen elektronischen Struktur des Materials. Als Folge senden die Elektronen neue Terahertz-Pulse mit ungeraden ganzzahlig Vielfachen der ursprünglichen Frequenz ab.

Perspektivisch verspricht das Phänomen zahlreiche Anwendungen, etwa in der drahtlosen Kommunikation. Hier geht der Trend zu immer höheren Funkfrequenzen, auf denen sich deutlich mehr Daten übermitteln lassen als auf den heute verwendeten Kanälen. Bauteile aus Dirac-Materialien könnten hoffentlich eines Tages noch höhere Frequenzen nutzen. Doch erst einmal gilt es, die Grundlagen weiter zu erkunden. „Unser Forschungsergebnis war nur der erste Schritt“, betont Zhe Wang. „Bevor wir an konkrete Anwendungen denken können, müssen wir die Effizienz der neuen Materialien noch steigern.“ Dazu wollen die Fachleute herausfinden, inwieweit sich die Frequenzvervielfachung durch Anlegen eines elektrischen Stroms gezielt steuern lässt.

Inhaltlicher Kontakt:
Dr. Zhe Wang
II. Physikalisches Institut
+49 221 470-2608
zhewangph2.uni-koeln.de

Presse und Kommunikation:
Jan Voelkel
+49 221 470-2356
j.voelkelverw.uni-koeln.de

Publikation:
S. Kovalev, R. M. A. Dantas, S. Germanskiy, J.-C. Deinert, B. Green, I. Ilyakov, N. Awari, M. Chen, M. Bawatna, J. Ling, F. Xiu, P. H. M. van Loosdrecht, P. Surówka, T. Oka, Zhe Wang: Non-perturbative terahertz high-harmonic generation in the three-dimensional Dirac semimetal Cd3As2, in Nature Communications 11, 2451 (2020) (DOI: 10.1038/s41467-020-16133-8)