Von ultraschnellen Fotoströmen in anisotropen Metallen zu Emittern von breitbandiger Terahertz-Strahlung

• Antragsteller: Professor Dr. Tobias Kampfrath
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544376034

Elektromagnetische Strahlung im Terahertz (THz)-Frequenzbereich ist ein unverzichtbares Werkzeug für die Spektroskopie und Charakterisierung von Materialien. Für die Erzeugung von breitbandigen THz-Impulsen werden oft Femtosekunden-Laserimpulse benutzt, die ultraschnelle Fotoströme in dünnen Halbleiterfilmen auslösen. Erst vor kurzem wurde eine neuartige Klasse von THz-Emittern basierend auf anisotropen metallischen dünnen Filmen demonstriert. In diesen anisotropic-conductivity THz emitters (ACEs) erzeugt ein senkrecht einfallender Femtosekunden-Laserimpuls zunächst ein effektives transientes elektrisches Feld senkrecht zur Filmebene. Aufgrund der anisotropen elektrischen Leitfähigkeit von Teilen des Films treibt das transiente Feld senkrecht zur Ebene einen Ladungsstrom mit einer signifikanten Komponente parallel zur Filmebene, die zur effizienten Emission eines THz-Impulses führt. In diesem Projekt nutzen wir ultrabreitbandige THz-Zeitdomänenspektroskopie von 0.5 THz bis 40 THz, um ultraschnelle Fotoströme in I|A Dünnfilmstapeln zu untersuchen, die aus Schichten A und I eines anisotropen bzw. isotropen Metalls bestehen. Unser erstes Ziel ist es, den Ursprung des effektiven transienten elektrischen Feldes senkrecht zur Filmebene zu entschlüsseln und seine Umwandlung in einen Fotostrom parallel zur Filmebene und letztlich in ein elektromagnetisches Feld zu verstehen. Mit diesem Ansatz werden wir generell ein deutlich besseres Verständnis der Erzeugungs- und Konversionsdynamik von Fotoströmen in anisotropen Metallen erzielen. Zum zweiten werden wir die gewonnenen Einblicke in die Funktionsweise von ACEs nutzen, um die Amplitude und Bandbreite der emittieren THz-Pulse zu optimieren. Unsere Vorarbeiten zeigen an, dass die Leistungsfähigkeit von optimierten ACEs die von state-of-the-art THz-Emittern übertreffen und somit das Methodenspektrum der THz-Photonik gewinnbringend erweitern kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen