13.08.2013 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e.V.

Schneller Detektor für riesigen Wellenlängenbereich

Freie-Elektronen-Laser sind äußerst vielseitige Forschungsgeräte, denn mit ihren intensiven und superkurzen Lichtblitzen kann man neue Materialien oder auch biologische Moleküle besonders gut untersuchen und so bisher unbekannte Effekte beobachten. Für gepulste Laser im fernen Infrarot, dem sogenannten Terahertz-Bereich, haben Wissenschaftler im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) einen robusten und schnellen Detektor konzipiert, der mit hoher Genauigkeit die Ankunft eines Terahertz-Pulses messen kann. Mit den in der Fachzeitschrift „Applied Physics Letters“ publizierten Ergebnissen liefern die Forscher zugleich eine Bauanleitung für ihren Detektor.

Jeder einzelne Puls vom Freie-Elektronen-Laser (FEL) im Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf besteht aus unzähligen Lichtteilchen. Für viele Experimente ist es extrem wichtig, die genaue Ankunftszeit dieser Lichtpulse zu kennen. Die Zeitdauer zwischen den nur zehn Pikosekunden, also zehn billionstel Sekunden, kurzen Lichtblitzen beträgt allerdings lange 77.000 Pikosekunden. Auf räumliche Größenvorstellungen übertragen entspräche die Distanz zwischen zwei Pulsen knapp acht Kilometer. Diese Strecke gilt es zu durchsuchen, um die Ankunftszeit eines Lichtpulses, der in diesem Vergleich gerademal einen Meter lang wäre, zu bestimmen.

Gemeinsam mit Wissenschaftlern der Universität Regensburg gelang es dem Physiker Martin Mittendorff und seinen Kollegen vom HZDR, einen zuverlässigen Detektor für die Zeitmessung an Freie-Elektronen-Lasern im Terahertz-Bereich zu entwickeln, zu bauen und zu testen. Diese Technik kann an allen vergleichbaren FELs eingesetzt werden. Sie basiert auf einer winzigkleinen Flocke aus Graphen, einem Material, um das ein regelrechter Forschungsboom entstanden ist, seit seine Entdeckung im Jahr 2010 mit einem Nobelpreis belohnt wurde. Die Liste der Anwendungen des für neue Technologien wie geschaffenen Werkstoffs – einer Schicht aus Kohlenstoff, die genau eine Atomlage dick ist – wird dabei immer länger. Graphen ist zugleich dünn, transparent und stabil, es kann Licht im unsichtbaren Infrarotbereich absorbieren, und die Elektronen können sich sehr schnell durch das Material bewegen.

„Die Eigenschaft des Graphens, 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. Um die Lichtpulse auf die kaum bleistiftspitzengroße Flocke zu lenken, wird zudem eine spezielle Antenne benötigt. Nachdem das Detektor-Konzept feststand, fertigte der Physiker Josef Kamann in der Arbeitsgruppe von Professor Dieter Weiss an der Universität Regensburg den ersten Prototypen. Bei allen Tests am Freie-Elektronen-Laser des HZDR erwies sich der Detektor als schnell und beständig.

Bislang war die Abstimmung der Laserpulse mit Schwierigkeiten verbunden, da es keine einfachen und schnellen Detektoren für FEL-Strahlung im Terahertz-Bereich gab. Insbesondere sind die meisten schnellen Detektoren auf einen engen Wellenlängenbereich limitiert und nicht, wie der Detektor auf Graphen-Basis aus dem HZDR, für große Teile des mittleren und fernen Infrarotbereichs einsetzbar. Martin Mittendorff und seine Kollegen arbeiten nun an einer Weiterentwicklung ihres Systems, das einen noch größeren Wellenlängenbereich abdecken soll, angefangen von ultraviolettem Licht bis hin zum fernen Infrarot.

Vor allem bei sogenannten Pump-Probe-Experimenten profitieren die Forscher enorm von dem neuen Gerät, denn hierfür benötigen sie Licht aus zwei unterschiedlichen Laserquellen, die sie supergenau aufeinander abstimmen müssen. Soll beispielsweise ein vielversprechender Halbleiter für optoelektronische Anwendungen optimiert werden, so kann man die Elektronen darin mit einem ersten Laser anregen und danach mit einem zweiten Laser beobachten, wie schnell sie aus dem angeregten Energiezustand in den Ursprungszustand zurückkehren. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten für das neu entwickelte Detektorsystem bietet das ELBE-Zentrum für Hochleistungs-Strahlenquellen in Rossendorf, denn 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.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
  • News

    Hightech-Abfall biologisch recyceln

    Gallium ist ein seltenes, aber in der High-Tech-Industrie viel verwendetes Metall. Dieser krasse Gegensatz macht Recycling unabdingbar. Bisherige Verfahren sind allerdings kostenintensiv und chemisch belastet. Biotechnologische Ansätze nutzen daher Peptide, da sie in der Lage sind, metallis ... mehr

    Effizienter kühlen

    Ein internationales Team der Universität Barcelona, des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) und der Technischen Universität Darmstadt berichtet im Fachjournal Applied Physics Reviews, wie sich effizientere und umweltschonende Kälteverfahren künftig umsetzen lassen könnten. Dazu hab ... mehr

    Akkutechnologie für Elektroautos mit Reichweite

    Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien und der zunehmenden Elektromobilität steigt die weltweite Nachfrage nach kostengünstigen Energiespeichern, die mobile Anwendungen mit hoher Reichweite gestatten. Diese Herausforderung will das Start-up „NorcSi“ mit einer innovativen Technologie zur H ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e.V.

    Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) leistet langfristig ausgerichtete Spitzenforschung auf den Gebieten Energie, Gesundheit und Materie. In strategischen Kooperationen mit nationalen und internationalen Partnern bearbeiten wir neue, für die moderne Industriegesellschaft drängend ... mehr

Mehr über Helmholtz-Gemeinschaft
  • News

    Selbstorganisierte, molekulare Monolagen für effiziente Perowskit-Solarzellen

    Ein Team am HZB hat ein neues Verfahren entdeckt, um effiziente Kontaktschichten in Perowskit-Solarzellen zu realisieren: Es basiert auf Molekülen, die sich selbstorganisierend anordnen und eine Monolage bilden. In den letzten Jahren konnten Solarzellen auf der Basis von Metall-Halid Perows ... mehr

    Helmholtz will Kontakte zu israelischen Forschern und Start-ups knüpfen

    (dpa) Deutschland und Israel hatten Anfang des Monats beschlossen, die wissenschaftliche Zusammenarbeit auszubauen - jetzt eröffnet die Helmholtz-Forschungsgemeinschaft ein Auslandsbüro in Tel Aviv. Damit will Helmholtz Kontakte zu israelischen Forschern und Start-ups knüpfen. Helmholtz ist ... mehr

    Rückenwind für Gründer

    Mit Meeres-Chemie Knochenschwund schneller erkennen, Lastenräder mit leistungsfähigen Brennstoffzellen ausrüsten oder die Energieeffizienz-messung von Gebäuden vereinfachen – dies sind drei der insgesamt sechs neuen Geschäftsideen, die für das Förderprogramm „Helmholtz Enterprise“ ausgewähl ... mehr

  • Videos

    Die Batterie der Zukunft

    Am Karlsruher Institut für Technologie, einem Zentrum der Helmholtz-Gemeinschaft entwickeln Maximilian Fichtner und sein Team die Batterie der Zukunft. Dafür experimentiert er mit neuen chemischen Kombinationen. Mithilfe der Fluorid-Ionen-Technik sollen künftige Batterien deutlich mehr Ener ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren e.V.

    Die Helmholtz-Gemeinschaft leistet Beiträge zur Lösung großer und drängender Fragen von Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft durch wissenschaftliche Spitzenleistungen in sechs Forschungsbereichen. Sie ist mit 30.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern in 16 Forschungszentren und einem Ja ... mehr

Mehr über Uni Regensburg
  • News

    Gefrorenes Licht in Graphen

    Wissenschaftler der Universität Regensburg, des Massachusetts Institute of Technology, des Moskauer Instituts für Physik und Technologie und der University of Kansas haben eine ungewöhnlich starke Lichtabsorption in Graphen entdeckt. Der Effekt entsteht durch die Umwandlung gewöhnlicher ele ... mehr

    Die supraleitende Diode

    Wenn man ein Smartphone in der Hand hält oder die Hand an die Rückseite eines Desktop-PCs legt kann man es spüren: Elektronische Berechnungen erzeugen zwangsläufig Wärme. Ein Wissenschaftlerteam um Professor Dr. Christoph Strunk und Dr. Nicola Paradiso vom Institut für experimentelle und an ... mehr

    Kekulés geplatzter Traum: Leitern statt Schlangen

    Entlang einer molekularen Leiter aus Hunderten von Benzolringen bewegen Forschende der Universitäten Bonn und Regensburg Energiepakete hinauf und hinunter. Solche Polymere lassen sich potenziell für die Herstellung neuer Displays auf der Grundlage organischer Leuchtdioden oder für Solarzell ... mehr

  • q&more Artikel

    Mizellen als Reaktionsumgebung

    Die Photoredoxkatalyse hat sich zu einem leistungsfähigen Instrument für die Synthese organischer Verbindungen mit den verschiedensten Strukturen entwickelt. Die hohe Stabilität der Kohlenstoff-Chlor-Bindungen hat jedoch lange Zeit den Einsatz kostengünstiger und leicht verfügbarer Chloralk ... mehr

    Interessante Gesundheitsförderer

    Unter den pflanzlichen Sekundärstoffen ist kaum eine Klasse von Verbindungen so pro­minent in unserem Leben vertreten wie die Flavonoide. Man findet sie in verschiedenen Oxidationsstufen und hauptsächlich als Glykoside (Abb. 1) in zahlreichen Nahrungsmitteln. Mit dem Konsum von Obst, Gemüse ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Burkhard König

    Burkhard König, Jahrgang 1963, studierte Chemie an der Universität Hamburg, wo er 1991 promovierte. Er absolvierte Postdoc-Aufenthalte bei Prof. M. A. Bennett, Research School of Chemistry, Australian National University, Canberra, Australien und bei Prof. B. M. Trost, Stanford University, ... mehr

    Dr. Maciej Giedyk

    Maciej Giedyk, Jahrgang 1988, beendete 2012 sein Studium der Chemie an der Warschauer Technischen Universität mit einem Master of Engineering ab. Im Jahr 2016 schloss er seine Doktorarbeit am Institut für Organische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Pro ... mehr

    Prof. Dr. Jörg Heilmann

    Jörg Heilmann, geb. 1966, studierte Pharmazie an der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und erhielt 1991 die Appro­bation. Von 1991 – 1992 war er als Apotheker in der Löwen-Apotheke Mülheim an der Ruhr tätig. An seine Promotion 1997 am Lehrstuhl Pharmazeutische Biologie an der Heinrich-H ... mehr