22.03.2018

Brillante Maser-Strahlung

Festkörper-Maser aus Diamant in Saphirring läuft kontinuierlich bei Raumtemperatur.

Die Raumsonde Voyager 2 hat sich um kaum vorstellbare 17 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt und sendet weiterhin Signale an die Boden­station. Möglich macht dies die Maser-Technologie, die ähnlich dem Laser kohärente Wellen erzeugt und damit schwache Signale rausch­frei verstärkt. Für die Kommunikation auf der Erde wird diese Technologie bisher nur selten verwendet, weil sie nur bei tiefen Temperaturen funktioniert. Ein Forscher­team am London Centre for Nano­technology und der Universität des Saarlandes hat jetzt jedoch einen Maser entwickelt, der sich auch bei Raum­temperatur einsetzen lässt.

Abb.: Um eine Maserwirkung zu erzielen, wurde ein Diamant in einem Saphirring platziert und mit grünem Licht eines Lasers bestrahlt. Der Diamant erscheint aufgrund der Fluoreszenz nach Anregung rot. (Bild: J. Breeze, ICL)

Maser und Laser erzeugen kohärente elektro­magnetische Strahlung bei einer einzigen Frequenz. „Bisher werden Maser vor allem für die Kommunikation im Weltraum eingesetzt, um etwa den Funk­kontakt zur Voyager-Raumsonde aufrecht zu erhalten. Denn Maser können sehr schwache Signale rausch­frei verstärken. Das macht sie auch für künftige Kommunikations­technologien auf der Erde interessant“, sagt Christopher Kay, Professor für Physikalische Chemie und Didaktik der Chemie der Universität des Saarlandes.

Nachteil bei Festkörper-Masern war bisher, dass sie sehr tiefe Temperaturen benötigen, die nur durch den Einsatz von flüssigem Helium zu erreichen waren. Gemeinsam mit Forscher­kollegen am London Centre for Nano­technology hat Christopher Kay jetzt einen Maser entwickelt, der bei normaler Raum­temperatur betrieben werden kann. Die Physiker verwenden dafür einen Saphir-Resonator, der in einem Magnetfeld platziert wird, um die Mikrowellen­strahlung phasen­­stabil zu verstärken. Diese Strahlung entsteht, wenn Stickstoff-Leerstellen im Diamanten optisch angeregt werden. Im Gegensatz zu reinen Diamanten, die nur Kohlenstoff­atome enthalten und daher farblos sind, wird in dem hier verwendeten Diamanten eine geringe Anzahl von Kohlenstoff­atomen durch ein Stickstoff­atom ersetzt.

„Dieser Defekt wird als NV-Center bezeichnet und gibt dem Diamanten eine violette Farbe. Er weist eine Vielzahl bemerkens­werter Quanten­eigenschaften auf und ist daher für die Entwicklung neuer Technologien, vor allem für Anwendungen im Nano­bereich interessant“, erläutert Christopher Kay. Maser können zum Beispiel für präzisere Messungen bei Untersuchungen im Weltraum oder in der Nano­technologie eingesetzt werden, was unter dem Begriff der Nano­metrologie zusammen­gefasst wird. „Wir gehen zudem davon aus, dass überall dort, wo Signale mit geringer Intensität über weite Distanzen empfangen und rausch­frei verstärkt werden sollen, der Maser neue Möglichkeiten eröffnet“, so Kay.

„In der wissenschaftlichen Community war bereits bekannt, dass man Diamanten mit NV-Zentren als Grundlage für einen Maser verwenden kann. Der Schwer­punkt unserer Arbeiten lag darin, einen Diamanten in einen Saphir-Resonator zu platzieren", erklärt Jonathan Breeze vom Imperial College in London. Christopher Kay ergänzt: „Ein spannender Aspekt dieser Technologie ist, dass die Ausgangs­frequenz einfach durch Änderung des angelegten Magnet­felds eingestellt werden kann.

Das aktuelle Gerät arbeitet mit einer Frequenz von neun Gigahertz. Zum Vergleich: Mobil­telefone arbeiten im Zwei-Gigahertz-Bereich. Mit handels­üblichen Magnet­technologien könnten mit unserem Raum­temperatur-Maser Frequenzen bis zu 200 Gigahertz erreicht werden." Da Maser optische Photonen verwenden, um Mikrowellen­photonen zu erzeugen, erwarten die Forscher, dass ihre Arbeit auch neue Wege auf dem Gebiet der Diamant-Quanten­­technologie eröffnen wird.

UdS / DE

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