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PHYSIKALISCHE GESELLSCHAFT ZU BERLIN E.V.
REGIONALVERBAND DER
DEUTSCHEN PHYSIKALISCHEN GESELLSCHAFT E.V.
Der Vorstand
Manipulation von Spins und Licht bei Terahertz-Frequenzen
Der Karl-Scheel-Preis 2014 der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin geht an
Dr. Tobias Kampfrath vom Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Mit dem diesjährigen Karl-Scheel-Preis würdigt die Physikalische Gesellschaft zu Berlin die
Arbeiten von Tobias Kampfrath auf dem Gebiet der Dynamik von Materie und Licht bei
Terahertz-Frequenzen. Eine Frequenz von einem Terahertz (1 THz) entspricht einer Billion
Schwingungen pro Sekunde. Der THz-Frequenzbereich liegt zwischen denen von Mikrowellen und von Licht und ist sowohl für die Grundlagenforschung als auch für Anwendungen hochgradig interessant. Zum einen weisen Festkörper zahlreiche Resonanzen im THzBereich auf, wie etwa Schwingungen des Kristallgitters oder sogenannte Spinwellen. Andererseits nähern sich in Drahtlosnetzwerken, optischen Glasfasernetzen und in Mikroprozessoren die Bitraten dem THz-Frequenzbereich beständig an. Aus diesen Gründen ist es
notwendig, Konzepte für das ultraschnelle Steuern und Auslesen von Informationsträgern
zu entwickeln. Herr Kampfrath hat sich dabei in den letzten Jahren besonders mit Spins
und Lichtpulsen befasst und konnte dabei neue Ansätze zu deren Kontrolle bei THzFrequenzen demonstrieren.
Auf Computer-Festplatten wird Information mit Hilfe kleiner Magnete gespeichert, deren
Orientierung (Up oder Down) den Wert eines Bits (0 oder 1) darstellt. Erzeugt wird die
Magnetisierung dabei vom Spin der Elektronen im Material, d.h. der fortwährenden Drehung der Elektronen um ihre eigene Achse. Beim Schreiben von Information auf Festplatten werden diese atomaren Kompassnadeln durch ein äußeres Magnetfeld gezielt ausgerichtet. Die Schreibgeschwindigkeit ist in ferromagnetischen Materialien wie Eisen durch die
Trägheit der Spins begrenzt. In Antiferromagneten jedoch, in denen benachbarte Spins in
entgegengesetzte Richtungen zeigen, können die Spins sehr schnelle kreiselartige Bewegungen ausführen, und zwar ungefähr eine Billion Mal pro Sekunde. Kampfrath und seinen
Mitarbeitern gelang es erstmals, diese als Spinwellen bezeichneten Bewegungen durch
Einstrahlung eines THz-Magnetfeldimpulses anzuregen und zu beobachten. Um die Spinwelle kontrolliert abzuschalten, wurde nach 6,5 Schwingungen (wenigen Billionstel Sekunden) ein zweiter Impuls eingestrahlt. Das ist etwa so, als würde man eine Schaukel im Gegentakt anstoßen und dadurch anhalten. Diese Ergebnisse zeigen einen möglichen Weg
auf, magnetische Bits sehr schnell umschalten zu können.
Während Spins zum Speichern von Information eingesetzt werden, sind Lichtimpulse in
Glasfasernetzen zu einem unverzichtbaren Träger für den Transport von Information geworden. Eine wichtige Funktion ist dabei das Ändern der Zentralfrequenz (d.h. der Farbe)
eines Lichtimpulses, um ihn von einem Frequenzkanal der Breite von etwa 0,1 THz in einen
anderen Kanal zu transferieren. Kampfrath konnte hier einen neuen Ansatz zur Änderung
der Farbe von Licht demonstrieren. Grundidee dabei ist es, die optischen Eigenschaften
eines Materials genau dann zu ändern, wenn sich der zu manipulierende Lichtimpuls darin
Vorsitzende: Prof. Dr. Ulrike Woggon,
Technische Universität Berlin, Institut für Optik und Atomare Physik, Sekr. ER 1-1, Straße des 17. Juni 135, 10623 Berlin
Tel.: (030) 314-78921, Fax: (030) 314-21079, E-Mail: [email protected]
Geschäftsführer: Prof. Dr. Holger Grahn,
Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Hausvogteiplatz 5-7, 10117 Berlin
Tel.: (030) 20377-318, Fax: (030) 20377-301, E-Mail: [email protected], Internet: http://www.pgzb.tu-berlin.de
Schatzmeister: Prof. Dr. Wolfgang Gudat
Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie  Speicherring BESSY II, Albert-Einstein-Str. 15, 12489 Berlin
Tel.: (030) 8062-14630, Fax: (030) 8062-14673, E-Mail: [email protected]
befindet. Dieser Vorgang lässt sich mit einer Gitarrensaite vergleichen: Während diese
schwingt, erhöht man die Spannkraft der Saite. Dadurch steigt die Höhe (Frequenz) des
Tones an, noch während er erklingt. Für die Realisierung verwendeten Kampfrath und seine Mitarbeiter einen sogenannten photonischen Kristall, der nur eine Haaresbreite groß war
und dessen Eigenschaften blitzschnell durch einen Laserimpuls geändert wurden. Damit
gelang es, die Frequenz von Lichtimpulsen um bis zu 0.3 THz zu verschieben. Die Lichtverluste beliefen sich auf weniger als 20%. Auf ähnliche Weise konnte sogar eine spektrale
Linse konstruiert werden, die das Spektrum von Lichtimpulsen zusammendrückt oder auseinanderzieht. Neben möglichen Anwendungen in der Datenübertragungstechnik könnte
man damit auch die Auflösung optischer Spektrometer erhöhen.
Prof. Martin Wolf, Leiter der Abteilung Physikalische Chemie am Fritz-Haber-Institut der
Max-Planck-Gesellschaft in Berlin, betont: „Tobias Kampfrath ist ein herausragender
Nachwuchswissenschaftler. Er hat sich bereits in jungen Jahren eine große internationale
Sichtbarkeit und Reputation in seinem wissenschaftlichen Umfeld erarbeitet. Neben der
Forschung engagiert sich Herr Kampfrath auch aktiv in der Lehre, einerseits an der Technischen Universität Berlin, andererseits als Koordinator der International Max Planck Research School Complex Surfaces in Materials Science, die sich aus 30 Studenten der drei
Berliner Universitäten, der Universität Potsdam und des Fritz-Haber-Instituts Berlin zusammensetzt.“
Dr. Tobias Kampfrath leitet seit 2010 die Forschungsgruppe „Terahertz-Physik“ in der Abteilung Physikalische Chemie des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft in Berlin. Im Sommer 2014 wird er seine Habilitationsschrift an der Technischen Universität Berlin
einreichen. Nach seiner Promotion hat Herr Kampfrath von 2006 bis 2008 in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Martin Wolf im Institut für Experimentalphysik an der Freien Universität
Berlin gearbeitet. Von 2008 bis 2010 war er als Postdoctoral Fellow im Institut für Atomund Molekülphysik in Amsterdam, Niederlande, tätig. Durch zahlreiche weltweit beachtete
Veröffentlichungen in renommierten Fachzeitschriften, Forschungsaufenthalte in den Niederlanden, den USA und an der Universität Konstanz sowie eingeladene Vorträge auf internationalen Tagungen hat sich Tobias Kampfrath bereits eine beachtliche wissenschaftliche Reputation erarbeitet. Er gehört damit zum Kreis der vielversprechenden Nachwuchswissenschaftlerinnen und Nachwuchswissenschaftler in Berlin.
Im Rahmen der diesjährigen Karl-Scheel-Sitzung am
Freitag, den 27. Juni 2014, ab 17:15 Uhr im Hörsaal des Magnus-Hauses,
Am Kupfergraben 7, 10117 Berlin, berichtet Dr. Tobias Kampfrath in einem Vortrag mit dem
Titel „Manipulation von Spins und Licht bei Terahertz-Frequenzen“ über seine
preiswürdigen Arbeiten und erhält im Anschluss an seinen Vortrag den Karl-Scheel-Preis
2014. Das gesamte Programm der Veranstaltung kann unter http://www.pgzb.tu-berlin.de
abgerufen werden. Zu dieser Veranstaltung laden wir Sie herzlich ein.
Die 1845 gegründete Physikalische Gesellschaft zu Berlin ist einer der ältesten
wissenschaftlichen Vereine in Deutschland. Sie ist heute ein Regionalverband der
Deutschen Physikalischen Gesellschaft und widmet sich der Verbreitung von physikalischer
Forschung und Lehre, u.a. durch regelmäßige Vortragsveranstaltungen sowie durch die
Vergabe verschiedener Preise an hervorragende Physiker.
Der Karl-Scheel-Preis wird seit mehr als 50 Jahren für eine herausragende, in der Regel
nach der Promotion entstandene wissenschaftliche Arbeit eines Mitgliedes der Gesellschaft
vergeben. Dem Vermächtnis Karl Scheels folgend wird der Preisträgerin oder dem
Preisträger anlässlich eines Festkolloquiums (Karl-Scheel-Sitzung) die Karl-ScheelMedaille sowie ein Preisgeld in Höhe von 5.000 € überreicht.
Für weitere Informationen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung:
Physikalische Gesellschaft zu Berlin: Prof. Dr. Holger Grahn
Geschäftsführer der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin
Email: [email protected]
http://www.pgzb.tu-berlin.de
Preisträger: Dr. Tobias Kampfrath
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Abteilung Physikalische Chemie
Forschungsgruppe Terahertz-Physik
Faradayweg 4-6, 14195 Berlin
Tel.: (030) 8413-5222
E-mail: [email protected]