Каждый отдельный импульс, исходящий от лазера на свободных электронах (ЛСЭ) Гельмгольца-центра Дрездена-Россендорфа, состоит из бесчисленных легких частиц. Для многих экспериментов очень важно знать точное время прихода этих световых импульсов.
Время, прошедшее между этими короткими вспышками света, которые длятся всего десять пикосекунд, то есть десятую триллионную долю секунды, на самом деле составляет 77000 пикосекунд. Если бы это прошедшее время было перенесено в пространственные измерения, то расстояние между двумя импульсами было бы почти восемь километров. Это расстояние необходимо исследовать, чтобы определить время прихода светового импульса, длина которого в этом сравнении едва достигнет метра.
Вместе с учеными из Регенсбургского университета физику Мартину Миттендорфу и его коллегам из HZDR удалось разработать, построить и испытать надежный детектор для измерения времени в терагерцовом диапазоне с помощью лазеров на свободных электронах. Эта технология может применяться во всех сопоставимых ЛСЭ. Он основан на крошечной чешуйке графена, материала, из которого с момента его открытия произошел настоящий исследовательский бум и за который в 2010 году была присуждена Нобелевская премия. Список применений этого материала, состоящего из слоя углерода, который является толщина ровно в один атомный слой, который, кажется, был создан специально для новых технологий, постоянно становится длиннее.
Графен не просто тонкий, прозрачный и стабильный; он также может поглощать свет в невидимом инфракрасном диапазоне, а электроны могут очень быстро перемещаться через материал.«Способность графена поглощать легкие частицы в очень широком диапазоне длин волн была предпосылкой для нашего надежного детектора, который работает даже при комнатной температуре. Высокая подвижность электронов в графене фактически обеспечивает высокую скорость», — объясняет Мартин Миттендорф из HZDR. Чтобы направить световые импульсы на чешуйку размером не больше кончика карандаша, также необходимо использовать специальную антенну.
Как только концепция детектора была разработана, физик Йозеф Каманн из рабочей группы профессора Дитера Вайса в Университете Регенсбурга построил первый прототип. Детектор показал себя быстрым и стабильным во всех тестах, проведенных на лазере на свободных электронах HZDR.
В прошлом регулировка лазерных импульсов была затруднена, поскольку быстрых и простых детекторов излучения ЛСЭ в терагерцовом диапазоне не существовало. Тем более, что большинство быстрых детекторов ограничены узким диапазоном длин волн и неприменимы для больших участков среднего и дальнего инфракрасного диапазона, как детектор HZDR, который основан на графене. Мартин Миттендорф и его коллеги в настоящее время развивают свою систему, чтобы она могла охватывать еще более широкий диапазон длин волн, начиная с ультрафиолетового света и заканчивая дальним инфракрасным диапазоном.
В частности, когда дело доходит до так называемых экспериментов с накачкой и зондом, исследователи действительно могут извлечь выгоду из нового устройства, потому что им нужен свет от двух разных лазерных источников, которые затем они должны синхронизировать друг с другом с максимальной точностью. Центр мощных источников излучения ELBE в Россендорфе предоставляет множество возможностей для использования этой недавно разработанной системы детекторов, потому что здесь два лазера на свободных электронах (FELBE) с терагерцовым и / или инфракрасным излучением объединены под одной крышей с инновационным источником TELBE, который значительно расширит доступный спектральный диапазон терагерцового излучения в HZDR в течение следующих нескольких лет.