Met terahertzstraling kun je metalen wapens die onder kleding verborgen zijn gewoon zien zitten, zegt Willem op ’t Root (30). “En de straling is in tegenstelling tot röntgenstraling niet ioniserend en dus onschadelijk.” Lachend: “ Je kunt iemand er hooguit een beetje mee opwarmen, maar aangezien het erg lastig is om krachtige terahertzbronnen te maken, is dat voorlopig geen probleem.” Of je de röntgendetectie er volledig mee kunt vervangen durft de promovendus niet te zeggen, maar door het relatief onschadelijke karakter van de straling is terahertzstraling wel heel geschikt voor het maken van medischeafbeeldingen. En onlangs werd het gebruikt om verborgen verflagen achter een schilderij tevoorschijn te toveren. Terahertzstraling is elektromagnetische straling met een golflengte van ongeveer een millimeter. Daarmee valt het precies in een gat tussen de straling die wordt toegepast in radiosignalen, magnetrons en mobiele telefoons (radiofrequente straling ofwel RF) enerzijds, en aan de andere kant van het spectrum infraroodstraling (denk aan afstandsbedieningen) en zichtbaar licht (het optische domein) (zie ook de afbeelding).

Gelijkrichting
“In het optische bereik kun je lasers gebruiken, en radiofrequenties zijn relatief eenvoudig op te wekken met generatoren, maar beide technieken zijn ongeschikt om terahertzstraling te maken. Er komt wel wat van die straling van hete voorwerpen, maar daarvan is maar een heel klein deel in het juiste golflengtegebied.”

Toch kun je een bepaald soort lasers gebruiken om terahertzstraling op te wekken. Met de ontwikkeling van femtosecondelasers, die extreem korte lichtpulsjes afgeven (een femtoseconde is een miljoenste van een miljardste seconde) is daar de afgelopen twintig jaar verandering in gekomen, vertelt Op ’t Root. “Met die laserpulsjes kun je in een halfgeleider heel korte stroompulsjes opwekken, en die zorgen er weer voor dat de halfgeleider terahertzstraling uitzendt. Dat heet gelijkrichting. De opgewekte straling is echter relatief zwak en er is dus behoefte aan een veel intensere bron.”

Daarom ontwikkelden Op ’t Root en zijn collega’s van de capaciteitsgroep Coherence and Quantum Technology (faculteit Technische Natuurkunde) een variant op de gelijkrichtingsmethode: hij versnelde kleine pakketjes elektronen -misschien het best te vergelijken met een schot hagel uit een geweer- tot 99 procent van de lichtsnelheid en stuurde deze met volle vaart op een plaatje aluminium. Bij de botsing van de elektronen met het metaal ontstaan korte, intense pulsjes terahertzstraling. “De elektronen hebben een elektrisch veld om zich heen en op het moment dat het elektronenpakketje in het aluminium verdwijnt, verdwijnt ook dat elektrische veld.” Die overgang gaat gepaard met het uitzenden van een elektromagnetische terahertzpuls, die als het ware het nog aanwezige elektrische veld ‘opveegt’.

Zolang de omvang van het elektronenpakketje kleiner is dan de golflengte van de straling, kleiner dus dan ongeveer een millimeter, is deze methode om terahertzstraling op te wekken bijzonder efficiënt. De intensiteit van de straling neemt toe met het kwadraat van het aantal elektronen, en dat loopt aardig op als je, zoals Op ’t Root, een miljard elektronen in het hagelschot weet te krijgen.
De crux is dus het stoppen van veel elektronen in een klein volume. Dat is net als bij een gewoon hagelgeweer niet eenvoudig, en bovendien stoten de elektronen elkaar ook nog eens af. Gelukkig wordt Op ’t Root hierbij gered door een bijzonder effect van de speciale relativiteitstheorie -de theorie van Albert Einstein die dingen beschrijft die bewegen met bijna de lichtsnelheid (driehonderduizend kilometer per seconde). Voor zulke snelle elektronen wordt de afstotende kracht namelijk teniet gedaan door een magnetische aantrekkende kracht. Op ’t Root: “Het is dus zaak om de elektronen zo snel mogelijk op snelheid te krijgen, voordat de afstotende elektrostatische kracht zijn werk kan doen. Wij hebben een zogeheten RF-photogun. Dat is een apparaat waarmee je een bijzonder sterk elektrisch veld kunt aanleggen dat wisselt met een frequentie van 3 gigahertz. Met een ultrakorte laserpuls met ultraviolet licht maken we de elektronen vrij, die vervolgens in een fractie van een seconde over een afstand van zo’n vijftien centimeter opgezweept worden tot vrijwel de lichtsnelheid.” Het elektronenwolkje vliegt vervolgens over een afstand van anderhalve meter door een vacuümbuis naar het doel, een plaatje aluminium van zeven bij zeven centimeter en een millimeter dik. Dat had overigens ook ander materiaal kunnen zijn, zolang het maar terahertzgolven geleidt.

Het resultaat mocht er zijn, aldus Op ’t Root, maar toch was hij nog niet helemaal tevreden: “Het probleem van terahertzstraling zit ‘m in de lange golflengte. Als je iets heel nauwkeurig wilt meten, dan moet je de straling kunnen samenbrengen op een heel klein oppervlak. Hoe groter de golflengte van de straling, hoe lastiger dat gaat.” Daarom heeft hij geprobeerd de straling te ‘vangen’ in een metaaldraad. Hij voorzag die draad van een spitse punt en probeerde deze met de elektronenwolkjes te raken. Op die manier worden de terahertzgolven aan de draad gekoppeld en komen bij het spitse uiteinde bijeen, met een zeer intens veld tot resultaat. De resultaten beloven veel voor toekomstige toepassingen van terahertzstraling: de metaaldraad kan de rol spelen die fibers tegenwoordig hebben bij het transporteren van laserlicht naar de gewenste plek.

Het werkt, volgens Op ’t Root: “Met onze methode maken we terahertzstraling met een veldsterkte die zeker duizend keer hoger ligt dan je met andere methoden kunt bereiken. Hoe groot het verschil is, weten we niet precies, aangezien de concurrentie de veldsterkte niet eens kan meten. Die zijn al blij als ze überhaupt een zichtbaar signaal hebben, terwijl wij aan het uiteinde van de draad veldsterktes van meer dan honderd megavolt per meter bereiken. Dat is echt heel veel.” (TJ) /.