Mit Terahertz-Licht in die Materie blicken

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In Materialforschung, Chemie, Biologie und Medizin bestimmen die chemischen Bindungen und insbesondere deren Dynamik die Eigenschaften eines Systems. Und diese lassen sich sehr genau mit Terahertzstrahlung und kurzen Pulsen untersuchen. Das Ferninfrarot Linac- und Test-Experiment FLUTE am KIT ist eine Entwicklungsplattform für die Beschleunigerphysik. An ihr werden Verfahren getestet, um zunächst die komplexe Dynamik extrem kurzer Elektronenpakete besser zu verstehen, zu vermessen und zu kontrollieren. Erst sehr kompakte Elektronenpakete ermöglichen es intensive und kohärente Terahertzstrahlung zu erzeugen. Dazu muss die Elektronenwolke bei der Beschleunigung so eng zusammen gehalten werden, dass ihre Ausdehnung kleiner ist als die Wellenlänge der erzeugten elektromagnetischen Strahlung. Nur dann überlagern sich die Wellen konstruktiv zu Pulsen von hoher Intensität mit Dauern von Piko- oder Femtosekunden.

Langfristig gilt es die Kontrolle der Elektronenpakete so zu verbessern, dass die Terahertzstrahlung perfekt auf die Bedürfnisse der Anwender zugeschnitten werden kann. Die Terahertz-Strahlung könnte Anwendungsgebiete aufstoßen, die dem benachbarten sichtbarem Licht und den Radiowellen verschlossen sind. Als Forschungsinfrastruktur dient FLUTE auch der Entwicklung von Messmethoden für Terahertz-Strahlung, die von den Material- und Lebenswissenschaften genutzt werden kann. Schwingungen von Proteinen lassen sich ebenso untersuchen wie das Verhalten von Supraleitern oder neuartigen Halbleitern.

Innerhalb des rund zwölf Meter langen Beschleunigers werden die Elektronen auf eine Energie von bis zu 50 MeV beschleunigt. Durch die Kompression der Elektronenwolke auf einige Mikrometer wird Strahlung mit einer Frequenz von 30 Terahertz oder mehr möglich. Neben dem Institut für Beschleunigerphysik und Technologie des KIT sind Entwicklungspartner aus ganz Europa, allen voran das Paul Scherrer Institut (PSI) aus der Schweiz, an FLUTE beteiligt.