Weltweit erster Halbleiter-Maser nutzt Spins im Magnetfeld

Maser waren die Vorläufer des Lasers und funktionieren nach demselben physikalischen Prinzip. Trotz ihres großen Potenzials waren diese Mikrowellenstrahler bislang jedoch meist auf technisch aufwendige Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel sehr tiefe Temperaturen angewiesen. Das erschwerte bisher ihre breite Anwendung. Ein Forschungsteam um Vladimir Dyakonov und Andreas Sperlich vom Lehrstuhl für Experimentelle Physik 6 der Uni Würzburg hat jetzt einen bedeutenden Fortschritt auf dem Weg zu praktischen Maser-Systemen erzielt: Sie haben sie einen Maser aus Siliziumkarbid entwickelt, der kontinuierlich arbeitet und sogar oberhalb von Raumtemperatur betrieben werden kann.

Grundprinzip: Die Maserleistung wird durch optisches Pumpen des Verstärkungsmaterials (SiC) in einem Resonator mit hohem Q-Faktor innerhalb eines externen Magnetfelds erzielt.

Quelle: Andreas Gottscholl et al / NPG; CC-BY 4.0

Das Team nutzt dafür ein etabliertes Halb­leiter-Mate­rial: Siliziumkarbid. In seinem Kristallgitter erzeugten die Forschenden gezielt atomare Fehlstellen, an denen sie einzelne Sili­zium-Atome entfernten. Diese Defekte weisen wohldefinierte quantenmechanische Spin-Zustände auf, die sich mit Licht gezielt anregen lassen.

Siliziumkarbid wird bereits in großem Maßstab für Leistungselektronik verwendet und ist großindustriell verfügbar. Das macht den Werkstoff besonders attraktiv, wenn aus dem grundlegenden Nachweis im Labor einmal kompakte und integrierbare Maser-Bauelemente entstehen sollen.

„Durch Nutzung der Spins machen wir aus Siliziumkarbid ein Material, das aktiv mit Mikrowellen interagiert“, sagt Gottscholl. „Wir können die Spins mit Licht in einen angeregten Zustand versetzen, in dem sie kohärente Mikrowellenstrahlung aussenden oder sogar verstärken können.“

Damit der Effekt stark genug wird, braucht der Maser – ebenso wie ein Laser – einen Resonator. Er funktioniert ähnlich wie eine Schaukel: nur Mikro­wellen-Schwing­ungen mit der richtigen Frequenz bauen sich immer weiter auf und werden verstärkt. Mit technischer Finesse steigerte das Würzburger Team die Güte des Resonators so weit, dass der Maser nun auch bei Raumtemperatur kontinuierlich arbeitet.

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Der neue Silizium­karbid-Maser kann nicht nur als Mikrowellenquelle dienen: In ersten Versuchen und Simulationen zeigte das Team außerdem sein Potenzial als rauscharmer Verstärker. „Beispielsweise für schwache Signale in der Kommunikations- und Messtechnik sind solche Verstärker essentiell“, erklärt Sperlich. „In Smartphones, Mobil­funk-Basis­sta­tio­nen, Computern oder auch Satelliten kommen jeweils gleich mehrere Mikrowellen-Signalverstärker zum Einsatz, die bisher ohne Masertechnologie auskommen müssen.“

Auch für hochpräzise Magnetfeldmessungen eröffnet der Maser neue Möglichkeiten. Seine extrem hohe Fre­quenz-Stabi­li­tät erlaubt es, kleinste Änderungen eines Magnetfelds besonders empfindlich nachzuweisen. Dabei funktioniert der Maser wie eine tickende Uhr – ein Os­zil­la­tor – deren Frequenz stark vom Umgebungsmagnetfeld abhängt. Je stärker das Magnetfeld ist, desto schneller tickt die Uhr.

Die Forschenden schätzen für ihr System bei Raumtemperatur eine Magnetfeldempfindlichkeit von etwa 20 pT – das ist etwa eine Million Mal schwächer als das Erdmagnetfeld. Damit ist eine Präzision erreicht, die für künftige Anwendungen in der Messtechnik und sogar für GPS-unab­hängi­ge Navigation interessant ist.

Langfristig sehen die Forschenden einen Weg zu elektrisch betriebenen Maser-Dioden auf einem Chip. Dafür spricht, dass sich die verwendeten Spin-Zustän­de in Siliziumkarbid nicht nur optisch, sondern prinzipiell auch elektrisch anregen lassen. [JMU / dre]