Die so genannte Terahertz-Lücke ist ein schwer zugänglicher Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der zwischen Infrarotlicht und Mikrowellen liegt. Sie ist von besonderem Interesse, weil viele Materialien in diesem Bereich Resonanzen mit niedriger Energie aufweisen, die oft als "Fingerabdrücke" bezeichnet werden und ihre Identität verraten. Die nicht-invasive Terahertz-Strahlung ist daher ein guter Kandidat für die Erkennung oder Charakterisierung von Materialien, ohne diese zu beeinträchtigen. Sie könnte auch ein bemerkenswertes Instrument zur Untersuchung der komplexen Dynamik chemischer Moleküle sein, wenn wir eine Reihe von THz-Aufnahmen machen könnten, um die zeitliche Entwicklung der untersuchten Probe aufzuzeigen.

In dieser Zusammenarbeit zwischen der Joly-Forschungsgruppe des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts und der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg einerseits sowie der Ménard-Forschungsgruppe des Max-Planck-Zentrums für Extrem- und Quantenphotonik in Ottawa andererseits haben die Autoren einen Zeitlupenfilm über die Dynamik heißer Ladungsträger, die in Silizium angeregt werden, erstellt, indem sie mit einem Tischversuchsaufbau nacheinander THz-Bilder mit 50 000 Bildern pro Sekunde aufgenommen haben. Dies steht in starkem Kontrast zu früheren Demonstrationen dieser schnellen THz-Spektroskopie, die auf Synchrotroneinrichtungen angewiesen waren, um THz-Quellen mit ausreichender Intensität für die Erkennung einzelner Schüsse bereitzustellen. Hier tastet ein THz-Puls die Probe ab, bevor sie in ein breites gechirptes Superkontinuum im optischen Bereich eingeprägt wird. Dieses breite Spektrum enthält gut angeordnete Wellenlängen, wie bei einem Regenbogen. Der Trick besteht darin, das optische Superkontinuum, das nun die THz-Informationen enthält, mit Hilfe einer Glasfaser zu dehnen, um diese spektralen Merkmale im Zeitbereich abzubilden und schließlich mit einem hochmodernen Oszilloskop die spektralen Informationen mit einer sehr hohen Wiederholrate zu extrahieren.

Diese Demonstration ebnet den Weg für die Überwachung schneller und nicht reproduzierbarer Phänomene, die bei Phasenübergängen, chemischen Reaktionen oder der Proteinfaltung in der Biochemie auftreten.

Originalpublikation:
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38354-3

Bild mit Genehmigung von Couture, N., Cui, W., Lippl, M. et al., Nat Commun 14, 2595 (2023).