Abstimmbarer Maser aus Quantenpunkten
Tunnelnde Elektronen verstärken kohärente Mikrowellenstrahlung.
So wie Laser kohärentes Licht aussenden, emittieren Maser gebündelte und korrelierte Mikrowellenstrahlung. Bisher werden Maser meistens noch optisch über Laserpulse gepumpt. Doch ein neuer Prototyp, entwickelt von einer Arbeitsgruppe an der Princeton University, lässt sich mit elektrischer Spannung betreiben. Aufgebaut ist der neuartige Maser aus Halbleiter-Quantenpunkten. Die Verstärkung der Mikrowellen-Emission basiert auf dem Tunneln einzelner Elektronen durch diese Quantenpunkte.
Abb.: Auf diesem Chip befinden sich zwei Quantenpunkte aus Indiumarsenid, in denen tunnelnde Elektroden zu einer Verstärkung von Mikrowellen führen. (Bild: J. Petta, U Princeton)
Jason Petta und seine Kollegen fertigten mit lithografischen Methoden zwei winzige Quantenpunkte aus dem Halbleiter Indiumarsenid und kontaktierten diese über mehrere Elektroden aus Gold und Titan. Dieses Modul koppelten sie mit einem Resonator, in dem Mikrowellen einer festen Frequenz verstärkt werden konnten. Legten die Forscher nun eine Spannung von zwei Millivolt an ihren Maser an, tunnelten einzelne Elektronen durch die Quantenpunkte. In den Quantenpunkten entstanden dabei Photonen, die in dem angekoppelten Resonator aus Niob zu einer Verstärkung der Mikrowellen führten. Erste Testläufe zeigten, dass mit diesem Aufbau eine tausendfache Verstärkung bei einer Frequenz von 7880,6 Megahertz erreicht werden konnte. Laut Petta kann die emittierte Wellenlänge solcher Halbleiter-Maser über einen weiten Frequenzbereich zwischen Giga- und Terahertz angepasst werden. Dazu müssten man lediglich der Aufbau und die Struktur der verwendeten Quantenpunkte verändern.
Viele Anwendungen für Maser, etwa für den Betrieb von Atomuhren, gibt es bisher nicht. Doch kann sich Petta vorstellen, dass kohärente Mikrowellenstrahlung für die Steuerung von Quantencomputer geeignet sein könnte. „Unsere Ergebnisse sind ein wichtiger Fortschritt, um zwischen zwei etwa einen Zentimeter voneinander entfernten Quantenbits eine Verschränkung zu generieren“, sagt Petta. Erst mit miteinander verschränkten Quantenbits können Quantencomputer komplexe Rechenaufgaben parallel ausführen und damit effizienter als mit herkömmlichen Prozessoren lösen.
„Der Stand der Maser-Entwicklung ist vergleichbar mit dem des Lasers vor 50 Jahren“, umriss noch vor drei Jahren Mark Oxborrow vom britischen National Physical Laboratory den Stand der Maser-Forschung. So sei die Intensität der Mikrowellen nicht sehr hoch und auch das Frequenzspektrum noch relativ schmal. Genau diese beiden Probleme könnten mit Quantenpunkt-Masern gelöst werden.
Maser, die an der Luft und bei Raumtemperatur unkompliziert einsetzbar sind, lassen weitere Anwendungen erwarten. Astronomen könnten ohne aufwendige Kühlung Detektoren bauen, deren Signale weniger Störrauschen zeigen. Diese Vorteile ließen sich auch bei der Analyse von molekularbiologischen Proben nutzen. Zudem lässt sich nicht ausschließen, dass Maser die Grundlage für eine weitere Optimierung des digitalen Funkverkehrs im Gigahertz-Bereich liefern.
Jan Oliver Löfken
