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Physik: Maserlicht aus Diamant

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

Artikel von Dirk Eidemüller veröffentlicht am
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.
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.

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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.

Der Maser arbeitet bei Raumtemperatur

Diese Einsatzgebiete könnten sich in Zukunft erweitern. Denn nicht zuletzt für die Quanteninformationsverarbeitung sind Maser von Interesse. Einem Forscherteam vom Imperial College und dem University College in London ist es gelungen, einen Festkörper-Maser neuartigen Typs zu bauen, der auch bei Raumtemperatur funktioniert, durchstimmbar ist und dazu sogar kontinuierlich Strahlung aussendet.

Zwar konnten Wissenschaftler vor einigen Jahren bereits einen Festkörper-Maser entwickeln, der ebenfalls bei Raumtemperatur arbeitet, allerdings hatte der auf dem organischen Molekül Pentacen basierende Maser einige Nachteile: So vertragen solche Molekülverbindungen nur schlecht die notwendige Pumpstrahlung, die zum Erreichen der Besetzungsinversion der Elektronenzustände erforderlich ist, ab der das Masing beginnt. Deshalb lieferte dieser organische Maser nur millisekundenlange Pulse, andernfalls wäre er durchgeschmolzen.

Die Forscher um Jonathan Breeze vom Imperial College London machten sich stattdessen nun die besonderen Eigenschaften von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren im Diamantgitter zunutze. Bei diesen sind zwei Kohlenstoffatome gegen ein Stickstoffatom und eine Fehlstelle ausgetauscht. Durch Beschuss der Diamanten mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl werden zunächst die Löcher im Diamantgitter erzeugt. Anschließend werden die Diamanten erwärmt und der Stickstoff mit den Leerstellen verschmolzen.

Diamanten leiten Wärme gut ab

An diesen Stickstoff-Fehlstellen-Zentren kommt es zu besonderen elektronischen Spinzuständen, die dank der Einbindung in das starre Diamantgitter gut gegen äußere Einwirkungen geschützt sind und die ungewöhnlich lange Lebensdauer besitzen. Außerdem sind Diamanten transparent und leiten Wärme sehr gut ab, weshalb sie leistungsstarke Pumpstrahlung sehr viel besser vertragen als organische Moleküle. Im Vergleich zum organischen Maser ist die Wärmeleitfähigkeit von Diamanten sogar um rund vier Größenordnungen besser.

Die Forscher analysierten zunächst die möglichen Übergänge zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Triplett-Zustand der Stickstoff-Fehlstellen-Zentren theoretisch und fanden heraus, dass diese durchaus zum Maser taugen - allerdings unter einer Voraussetzung: Man benötigt einen sehr guten Resonator mit möglichst geringen Verlusten. Nicht nur speziell präparierte Diamanten, auch andere edle Stoffe waren vonnöten.

Die Wissenschaftler platzierten deshalb den eigens präparierten, millimetergroßen Diamantquader in einen Ringresonator aus einem Saphir-Einzelkristall, der einen Innendurchmesser von fünf Millimetern und einen Außendurchmesser von einem Zentimeter aufwies. Dieser wiederum befand sich zentral in einem sauerstofffreien Kupferhohlraum hoher Güte. Nachdem sie all dies in einem von außen angelegten Magnetfeld sauber ausgerichtet hatten, beleuchteten sie den Diamanten mit einem starken, kontinuierlichen Laser-Pumpstrahl von 532 Nanometern Wellenlänge.

Der Diamant sandte Maserstrahlung wie erwartet aus

Der Diamant reagierte wie gewünscht und sandte Maserstrahlung bei einer Frequenz von 9,2 GHz aus. Durch die entsprechende Wahl des äußeren Magnetfeldes lässt sich diese Frequenz sogar über einen gewissen Bereich durchstimmen - ein nicht zu unterschätzender Vorzug gegenüber ebenfalls bei Raumtemperatur operierenden Gas-Masern.

Beeindruckend war der stabile Lauf des Masers bei Raumtemperatur. "Unser Maser kann kontinuierlich operieren, wir haben ihn tagelang laufen lassen", sagt Jonathan Breeze.

Ein solcher Maser könnte in verschiedenen Gebieten zur Anwendung kommen: Dank ihres rauscharmen Betriebs eignen sich Maser für anspruchsvolle Kommunikationsverbindungen, etwa zu Satelliten. Auch in der hochsensitiven Metrologie und vor allem in der Magnetometrie sehen die Forscher Einsatzmöglichkeiten, wenngleich dazu noch einiges an Entwicklungsarbeit nötig sein dürfte.

Ein weiterer interessanter Aspekt an den Stickstoff-Fehlstellen-Zentren ist, dass ihre Elektronenspins stark miteinander korreliert sind und sie deshalb kollektive Anregungen unterstützen, die im Prinzip Kohärenzzeiten im Bereich von Minuten aufweisen können. Das würde es erlauben, mit einem solchen Maser sogar eine Linienbreite unterhalb des Schawlow-Townes-Limits zu erreichen, das eigentlich die minimale Linienbreite für laserartige Strahlung angibt. Die Möglichkeit, dieses Limit zu unterschreiten, wird im Rahmen der Quanten-Thermodynamik derzeit untersucht und würde ein neues Einsatzgebiet für Maser öffnen.



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Tek_ 17. Apr 2018 / Themenstart

... Ok ich nehm alles zurück...

M.P. 17. Apr 2018 / Themenstart

Der Durchbruch war die CD.... Solche Stückzahlen an Lasern wird es in keinem anderen...

der-don 16. Apr 2018 / Themenstart

Das Paper war auch Thema im Methodisch Inkorrekt Podcast, Folge 117 (http://minkorrekt.de...

Arsenal 16. Apr 2018 / Themenstart

Erst mit dem Rückgang der Impfquoten wurden die Masern wieder interessant...

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