Ferninfrarotspektroskopie von neuartigen Halbleitermaterialien in Megagauss-Magnetfeldern unter Verwendung von Quantenkaskadenlasern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projektes, das gemeinsam von Gruppen des Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI) und des Paul- Drude-Instituts für Festkörperelektronik (PDI) durchgeführt wurde, zielte auf die Entwicklung eines innovativen Magnetospektrometers für den Bereich der Terahertz-(THz-)Strahlung in Megagauss-(MG-)Magnetfeldern. Die Realisierung dieser Methode erlaubt Zyklotron-Resonanz-Spektroskopie für die Bestimmung von effektiven Massen in Materialien mit geringer Ladungsträgermobilität und großer effektiver Masse. Optimierte Quantenkaskadenlaser (QCLs), die in der Nähe der Magneten für die MG-Felder installiert werden können, wurden entwickelt. Die QCLs beruhen auf GaAs/AlAs-Heterostrukturen mit dem sogenannten Hybriddesign. Für die Experimente in MG-Magnetfeldern sind Einzelpuls-THz-QCLs mit konstanter Ausgangsleistung von 10 mW und stabiler Emissionsfrequenz über 20 µs erforderlich. Während die Möglichkeit solcher langen Pulse zu Beginn des Projektes bekannt war, wurde die erforderliche Frequenzund Leistungsstabilität über diese langen Pulse mit den hohen Ausgangsleistungen nachgewiesen. Für das atmosphärische Fenster bei 3,43 THz konnte sogar Dauerstrichbetrieb mit einer Ausgangsleistung oberhalb von 10 mW gezeigt werden. Jedoch können diese Laser wegen begrenzter Kühlmöglichkeiten nicht innerhalb der MG-Installation betrieben werden. Deshalb haben wir uns auf einen 3,43-THz-QCL mit 5 mW Ausgangsleistung über Pulse mit 20 µs Dauer konzentriert, für den die erforderte Stabilität gezeigt wurde. Für die Demonstration des Konzepts wurde ein Zyklotron-Resonanz-Spektrometer, das mit den zerstörungsarmen MG-Magnetfeldern kompatibel ist, entwickelt. Der QCL wurde 150 mm oberhalb der Probe angebracht. Die THz-Strahlung wurde durch einen THz-Hohlleiter mit einer speziellen Ausführung, die den Betrieb in der MG-Umgebung mit seinen riesigen Werten für die zeitliche Ableitung des Magnetfeldes erlaubt, geführt. Für den Nachweis der THz-Strahlung wurden optimierte Ge:Ga- Detektoren mit einer Bandbreite von 1,5 MHz verwendet. Die Leistungsfähigkeit des Spektrometers wurde durch ein zerstörungsfreies Experiment an einem GaAs/(Al,Ga)As-Vielfach-Quantengraben gezeigt. Leider konnte die effektive Elektronenmasse in einer Serie von MnSi-Proben mit sowohl stöchiometrischer als auch nicht-stöchiometrischer Zusammensetzung nicht untersucht werden, da die Zusammenarbeit mit Einrichtungen der Russischen Föderation auf Grund des Ukraine-Krieges eingestellt wurde.
