Supraleiter könnten die Terahertz-"Lücke" füllen
Der THz-Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums bleibt nur unzureichend genutzt. Halbleiter-Bauelemente können nicht so hohe Frequenzen erzeugen und für Festkörperlaser ist dieser Bereich zu niedrig. Allerdings gibt es für Geräte mit Frequenzen zwischen 0,3 und 30 THz viele mögliche Anwendungen in unterschiedlichen Bereichen, etwa in Astronomie, Biologie, Chemie und Physik. Diese Vielzahl von Anwendungen weckte die Aufmerksamkeit von EU-finanzierten Forschern. Im Rahmen des Projektes THZ RADIATION (Controlling terahertz radiation using layered superconductors) zeigten sie, dass Josephson-Wirbel, die sich durch periodisch moduliert geschichtete Supraleiter bewegen, THz-Strahlung erzeugen können. Josephson-Kontakte werden gebildet, indem eine dünne Schicht aus Isoliermaterial sandwichartig zwischen Supraleitern gelegt wird, und weisen ungewöhnliche Quanteneffekte auf. Insbesondere erzeugt Spannung, die über einen Übergang angelegt wird, einen oszillierenden, der den Übergang dazu bringt, Photonen mit einer Frequenz zu emittieren, die der Energielücke der Supraleiter entspricht. Mit anderen Worten erzeugen Josephson-Kontakte elektromagnetische Strahlung. Es ist schwierig, Kontakte zu synchronisieren und einen kohärenten Strahl herzustellen, in dem alle Wellenlängen in Phase sind. Mithilfe modernster Computersimulationen untersuchten die Forscher die Effekte von geordneten magnetischen Punkten außerhalb der Ebene auf die emittierte Strahlung. Sie fanden heraus, dass das Anlegen von sowohl Wechselstrom (AC) als auch Gleichstrom (DC) dieses Problem beheben könnte. Wie bei einem Laser besteht der Trick, um die Emission in Phase zu bringen, darin, die angelegte Spannung zu variieren, bis die emittierte Frequenz der Eigenfrequenz des Systems entspricht. Bei dieser Frequenz sind Schwingungen, die durch die Wirbelgitter in den verschiedenen Schichten induziert werden, in Phase. Insbesondere werden die Kontakte "ermutigt" sich zu synchronisieren, wenn die sich bewegenden Wirbel ein rechteckiges Gitter bilden. Eine Phasensynchronisation ist nicht zu beobachten, selbst wenn es kleine Abweichungen der Seitenwände des Systems aus ihrer vertikalen Position gibt. Die Forscher suchten nach anderen Rand- und Anfangsbedingungen, die das kollektive Verhalten von Arrays von Josephson-Kontakten beeinflussen. Ihr Ziel war es, Faktoren zu identifizieren, die zu einer weniger geordneten Dynamik des quadratischen Josephson-Wirbelgitters beitragen. Die Erkenntnisse aus THZ RADIATION werden den Weg für die Entwicklung von Geräten mit THz-Strahlung ebnen, deren Frequenz und Leistung über einen weiten Bereich eingestellt werden können. Die höhere verfügbare Leistung würde das Signal-zu-Rausch-Verhältnis verstärken und so zu einem schnelleren und zuverlässigeren Abtasten und Abbilden führen.
Schlüsselbegriffe
Supraleiter, elektromagnetische Strahlung, THz-Frequenzbereich, Josephson-Kontakte, THz-Strahlung, Sensorik, Bildverarbeitung
