Forschende der TU Kaiserslautern beteiligt an quantenoptischer Terahertz-Messung von Schichtdicken

Experimenteller Aufbau zur quantenoptischen Schichtdickenmessung im Terahertz-Spektralbereich durch Messen sichtbarer Photonen. (Foto: Fraunhofer ITWM)

Forschende der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) und des Fraunhofer ITWM demonstrieren erstmals die Schichtdickenmessung mittels Terahertz-Quanteninterferenz. Das Leitprojekt QUILT der Fraunhofer-Institute befasst sich unter anderem mit der Detektion von Terahertz-Wellen auf Basis neuer quantenoptischer Methoden. Über erste Erfolge berichten Forschende des Fraunhofer ITWM und der TUK in der März-Ausgabe der renommierten Fachzeitschrift „Science Advances“, die von der „American Association for the Advancement of Science“ herausgegeben wird.

QUILT steht für „Quantum Methods for Advanced Imaging Solutions“ und bildet für mehrere Fraunhofer-Institute die Grundlage, gemeinsam quantenbasierte Messsysteme in verschiedenen Spektralbereichen zu entwickeln bzw. weiterzuentwickeln. Am Fraunhofer ITWM werden die Eigenschaften verschränkter Photonen im noch jungen Forschungsgebiet der Quantensensorik genutzt.

„Trotz der stetigen Weiterentwicklung der Terahertz-Technologie in den letzten Jahren ist das Aufnehmen eines Bildes in diesem Spektralbereich weiterhin eine große technische Herausforderung“, so der Experimentalphysiker Prof. Georg von Freymann, Leiter des Lehr- und Forschungsgebiets Optische Technologien und Photonik an der TUK sowie Leiter der Abteilung Materialcharakterisierung und -prüfung am Fraunhofer ITWM. „Im Gegensatz dazu sind heutzutage selbst Kameras in Smartphones oder PCs hochentwickelt und bieten hohe Auflösung sowie Detektionseffizienz bei moderaten Kosten.“ Abhilfe kann hier ein neues Messverfahren schaffen: Mithilfe quantenoptischer Methoden lassen sich die Eigenschaften von Photonen im Terahertz-Spektralbereich auf leichter zu detektierende sichtbare Photonen übertragen, sodass sich Informationen über die Terahertz-Photonen leichter auswerten lassen.

„Im vorangegangenen Jahr haben wir die Grundlagen für das zu realisierende Messprinzip geschaffen, jetzt konnten wir Quanteninterferenz im Terahertz-Spektralbereich mithilfe sichtbarer Photonen beobachten“, sagt Björn Haase, einer der beteiligten Doktoranden an der TUK. Sein Kollege Mirco Kutas ergänzt: „Es gelang uns hierbei erstmals, die Terahertz-Wellen auch für Experimente an externen Proben zugänglich zu machen.“ Dabei profitierten die Experimente auch von der Zuarbeit theoretischer Physiker aus der Abteilung Optimierung des Fraunhofer ITWM. „Die Ergebnisse der Simulationen zeigen eine sehr gute Übereinstimmung mit dem Experiment“, erläutert Dr. Patricia Bickert, die hauptverantwortlich für die theoretische Modellierung ist.

Damit war es möglich, die Schichtdicke verschiedener Proben, die nur mit den Terahertz-Wellen interagieren, durch die Detektion von sichtbarem Licht zu bestimmen. Hierbei handelt es sich weltweit um die ersten Untersuchungen dieser Art.

Nähere Informationen auf den Seiten des Fraunhofer ITWM (https://www.itwm.fraunhofer.de/de/presse-publikationen/presseinformationen/2020/2020_03_17-quantenoptische-terahertz-messung.html) und in der Fachzeitschrift „Science Advances“: https://advances.sciencemag.org/content/6/11/eaaz8065.

Fragen beantwortet:
Prof. Dr. rer. nat. Georg von Freymann
Lehrgebiet Optische Technologien und Photonik
E-Mail: georg.freymann@physik.uni-kl.de
Tel.: 0631 205-5225