Präzise Messung von unsichtbaren zirkularen Lichtwellen mit Quarzkristallen
Die THz Structural Dynamics Gruppe der Abteilung Physikalische Chemie am Fritz-Haber-Institut hat einen bedeutenden Fortschritt in der Lichtforschung erzielt, wie in ihrer jüngsten Veröffentlichung in der Fachzeitschrift Optica unter dem Titel „Quartz as an Accurate High-Field Low-Cost THz Helicity Detector“ detailliert beschrieben. Ihre Arbeit stellt eine schnelle, kostengünstige und präzise Technik zur Analyse von Terahertz (THz) Licht vor, einem Teil des fernen Infrarotspektrums, das für das bloße Auge unsichtbar ist. Starke THz-Laser sind entscheidend für die Erforschung und Manipulation von fundamentalen Materialeigenschaften auf ultraschnellen Zeitskalen.
THz-Licht besteht aus elektromagnetische Wellen mit Frequenzen im Terahertzbereich, der zwischen Mikrowellen und Infrarot im elektromagnetischen Spektrum liegen. Dieses Licht ist von großem Interesse für die wissenschaftliche Forschung, da es verschiedene Materialien durchdringen kann, ohne Schäden zu verursachen. Bereits heute, ist dies für Bildgebung und Spektroskopie in einer breiten Palette von Anwendungen nützlich, z.B. zur Sicherheitsüberprüfung oder zur chemischen Analyse.
Eine Herausforderung der aktuellen THz-Forschung ist die genaue Vermessung kurzer Lichtimpulse, insbesondere wenn sie sehr stark sind. Jene hochintensive THz-Impulse können konventionelle Detektoren sättigen oder gemessene Signale verzerren, was es schwierig macht, ihre Eigenschaften wie Amplitude (die Stärke der Lichtwelle), Phase (die Position der Wellenberge und -täler) und Polarisation (die Richtung, in der das Lichtfeld schwingt), genau zu messen. Besonders die Polarisation des Lichtfeldes kann sehr komplex sein, z.B. in Form von Bewegungen des elektrischen Feldes, welche Korkenziehern ähneln.
Das Forschungsteam hat nun eine Methode mit einfachen Quarzplättchen entwickelt, um diese Herausforderungen zu meistern. Quarz, ein weit verbreitetes und kostengünstiges Material, hat sich hierbei als effektiv erwiesen, um die Amplitude, Phase und komplexe Polarisation von intensiven THz-Feldern zu messen, ohne zu Sättigungsproblemen zu führen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die intensiven elektrischen THz Felder den Brechungsindex von Quarz modulieren, was die präzise Messungen der komplexen Lichteigenschaften ermöglicht.
Dieser Durchbruch ist insbesondere deshalb bedeutend, da er eine Methode bietet, die nicht nur genau, sondern auch aufgrund ihrer niedrigen Kosten und Einfachheit frei zugänglich ist. Er eröffnet neue Möglichkeiten für die Nutzung von THz-Licht in Forschung und Industrie und ermöglicht eine detailliertere Untersuchung und die präzise Steuerung von neuen Materialeigenschaften mit Geschwindigkeiten, die zuvor schwer zu erreichen waren.
In die Tiefe: Mehr Wissenschaftliche Erkenntnisse
In der vorgestellten Methode erzeugen die starken elektrischen Feldspitzen der THz Impulse eine Modulation des Brechungsindex in einem Quarzplättchen. Obwohl die Amplituden- und Phasen-aufgelöste THz-Detektion über diesen elektro-optischen Effekt bereits etabliert ist, geraten herkömmliche THz-Detektoren bei Feldstärken in der Größenordnung von 1 MV/cm durch Sättigung an ihre Grenzen. Diese enormen elektrische Felder - etwa 100 mal höher als die Durchbruchfeldstärke in Luft - sind jedoch erforderlich um atomare Kristallgitter kontrolliert zum Schwingen zu bringen und dadurch bestimmte Materialeigenschaften zu ändern. Die Forschungsgruppe zeigte nun, wie einfache Quarzplättchen zur Messung solch hoher elektrischer THz-Felder verwendet werden können, indem sie die Antwortfunktion eines solchen Quarzdetektors genau bestimmten.
Basierend auf der spezifischen Quarzsymmetrie, leiten die Forschenden eine schnelle und einfache Methode ab um die elektrische Feldrichtung, also den Polarisationszustand des hochintensiven THz-Impulses zu bestimmen. Diese Methode ist schnell, zuverlässig und erlaubt den Nachweis komplexer THz-Polarisationszustände, bei denen - wie im Bild gezeigt – eine einzelne THz-Lichtschwingung einem Korkenzieherpfad folgen kann. In Zukunft werden derartige THz Impulse die selektive Energieübertragung auf chirale Materialresonanzen ermöglichen und dazu beitragen, Drehimpuls zwischen Licht und Materie im THz-Spektralbereich präzise auszutauschen.
Bemerkenswert ist zudem, dass der demonstrierte Quarzdetektor für einen Bruchteil der Kosten von herkömmlichen THz-Detektorkristallen erhältlich ist. Dies ist sowohl für Forschungs- als auch für industrielle Anwendungen von besonderer Bedeutung und ermöglicht die einfache Umwandlung von THz-Spektrometern in kostengünstige THz-Ellipsometer. Schlussendlich ist die vorgestellte Methode der Schlüssel für zukünftige Forschungsvorhaben, welche den Drehimpuls des THz-Lichts nutzen um polarisationsselektive Quasiteilchen anzuregen und dadurch besondere Materialeigenschaften mit ultraschneller Geschwindigkeit zu steuern.
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