Universität des Saarlandes Mikrowellenverstärkung bei Raumtemperatur

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.
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.

Noch vor dem Laser gab es den Maser. Doch der Mikrowellenverstärker benötigt tiefe Temperaturen. Saarländer Forschern gelang jetzt der Durchbruch bei Raumtemperatur.

Die Raumsonde Voyager 2 ist 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.

Die Abkürzung „Maser“ steht für »microwave amplification by stimulated emission of radiation«, also einer Mikrowellenverstärkung, die durch eine stimulierte Emission von Strahlung erzeugt wird. Die Physik hinter dem Maser ähnelt im Wesentlichen der des Lasers, beide erzeugen kohärente elektromagnetische Strahlung bei einer einzigen Frequenz. Doch die Maser-Technologie benötigt sehr tiefe Temperaturen, die nur durch den Einsatz von flüssigem Helium zu erreichen waren.

Gemeinsam mit Forscherkollegen am London Centre for Nanotechnology haben Forscher  der Universität des Saarlandes einen Maser entwickelt, der unter normalen Raumtemperaturen betrieben werden kann. Dabei wird ein spezieller Diamant in einem Saphirring in einem Magnetfeld platziert. Die Strahlung wird erzeugt, indem 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. Die Stelle neben dem Stickstoffatom, die normalerweise ein Kohlenstoffatom enthält, ist leer. »Dieser Defekt wird als NV-Center (von Nitrogen Vacancy) 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 Prof. Dr. Christopher Kay von der Uni Saarland.

Maser können zum Beispiel für präzisere Messungen bei Untersuchungen im Weltraum oder in der Nanotechnologie eingesetzt 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.

Die Forscher publizierten ihre Entwicklung in der aktuellen Nature.