Physik: Maserlicht aus Diamant

Ein Stickstoff-Fehlstellen-basierter Maser liefert kontinuierliche und kohärente Mikrowellenstrahlung bei Raumtemperatur. Eine mögliche Anwendung ist die Kommunikation mit Satelliten.

16. April 2018 um 09:02 Uhr / Von Dirk Eidemüller

Maser: Der quaderförmige Diamant ist in einem Ring aus Saphir eingefasst. Von grünem Laserlicht angestrahlt, reagiert er mit der Aussendung von rotem Fluoreszenzlicht, das aus den Stickstoff-Fehlstellen stammt. Bild: J. Breeze/Imperial College London

Maser sind historisch gesehen ein wenig älter als Laser. Physikalisch basieren sie auf demselben Prinzip, auf der stimulierten Emission von Photonen – nur dass Maser Mikrowellen aussenden, während Laser im sichtbaren Bereich und in angrenzenden Wellenlängen leuchten. Technologisch gesehen fristen Maser jedoch eher ein Nischendasein und finden fast nur bei Spezialzwecken Einsatz, etwa bei der Deep Space Communication mit entfernten Raumsonden, bei der Radioastronomie oder in der hochpräzisen Metrologie. Laser hingegen sind eine Grundlagentechnologie der modernen Industrie und Elektronik geworden.

Ein Grund hierfür liegt darin, dass sich die Mikrowellenstrahlung der Maser im Gegensatz zu Lasern nicht zur Materialbearbeitung eignet. Vor allem aber ließen sich Maser bislang nur unter besonderen physikalischen Bedingungen realisieren: Festkörper-Maser funktionieren meist nur bei tiefsten Temperaturen und benötigen eine sehr aufwendige Kühlung. Andere Typen wie der Wasserstoff-Maser – für dessen Entwicklung im Jahr 1960 Norman Ramsey den Physiknobelpreis 1989 erhielt – laufen zwar bei Raumtemperatur, sind aber komplex, teuer und auf eine Wellenlänge beschränkt. Dank ihrer hohen Frequenzstabilität dienen sie etwa als Frequenznormale in Atomuhren oder für die Langbasisinterferometrie.