Mikrowellen statt Licht: Forscher haben erstmals einen Maser entwickelt, der bei Raumtemperatur einen kontinuierlichen Mikrowellenstrahl abgibt. Bisher funktionierten solche Mikrowellen-Laser nur bei ultrakalten Temperaturen oder in kurzen Pulsen. Der neue Maser aus einem synthetischen Diamant arbeitet dagegen auch bei Raumtemperatur dauerhaft, ohne zu überhitzen. Dieser Durchbruch eröffne ganz neue Anwendungen, sagen die Forscher im Fachmagazin „Nature“.
Er ist der Vorgänger des Lasers: Schon im Jahr 1954 entwickelten Forscher ein Gerät, dass kohärente Mikrowellenstrahlung abgeben konnte – den Maser. Wie beim Laser entsteht die Strahlung in ihm durch angeregte Atome, die Photonen abgeben. Diese stimulierte Emission wird durch Energiezufuhr und eine spezielle Spiegelkammer, den Resonator, verstärkt. Doch während die im optischen Wellenbereich arbeitenden Laser heute allgegenwärtig sind, fristen Maser eher ein Nischendasein: Sie werden hauptsächlich in der Radioastronomie und zur Kommunikation mit Raumsonden wie den Voyager-Sonden eingesetzt.
Von ultrakalt auf Raumtemperatur
Der Grund dafür: Bisherige Maser funktionieren nur im Vakuum und bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt. Zwar haben Wissenschaftler 2012 einen Maser entwickelt, der auch bei Raumtemperatur läuft. Er kann aber nur ultrakurze Pulse von weniger als einer tausendstel Sekunde Dauer erzeugen – strahlt er länger, wird er so heiß, dass er schmilzt.
Doch nun gibt es erstmals einen Maser, der bei Raumtemperatur kontinuierlich strahlt. Der von Jonathan Breeze vom Imperial College London und seinen Kollegen entwickelte Maser strahlte im Experiment mehr als zehn Stunden lang ohne zu überhitzen. „Dieser Durchbruch ebnet den Weg zu einer breiten Nutzung von Masern und zu einer ganzen Palette von neuen Anwendungen“, sagt Breeze.
Diamant im Saphirring
Das Herzstück des neuen Masers ist ein synthetischer Diamant, in dessen Kristallgitter Leerstellen und Stickstoffatome eingebracht wurden. Diese sogenannten NV-Zentren verändern die elektrophysikalischen Eigenschaften des Diamants. Wird ein solcher Diamant in ein Magnetfeld gesetzt und mit Laserlicht bestrahlt, führt dies zur Anregung der NV-Zentren und zur Abstrahlung von Mikrowellen-Photonen.
Im Experiment platzierten die Forscher einen solchen Diamant mit NV-Zentren in einem Ring aus einem Saphirkristall. Diese diente als Resonator, der die Mikrowellenstrahlung des Diamants konzentrierte und verstärkte. Bei Bestrahlung mit grünem Laserlicht von 532 Nanometern Wellenlänge wurde dieses System zum Maser: Es sendete intensive und kohärente Mikrowellenstrahlung aus – und dies nicht in Pulsen, sondern anhaltend.
Anhaltender Mikrowellenstrahl
Erstmals ist es damit gelungen, einen Maser zu entwickeln, der bei Raumtemperatur kontinuierliche Strahlung abgibt, wie die Forscher erklären. Zudem erwies sich ihr Maser als relativ robust und langlebig: „Die Maser-Emission hielt ohne Leistungsabfall über die volle Dauer aller Experimente an – bis zu zehn Stunden lang“, berichten Breeze und seine Kollegen.
Nach Ansicht der Forscher könnten solche Maser eine ganze Palette von Anwendungen haben. Sie könnten in der medizinischen Bildgebung eingesetzt werden, aber auch ähnlich wie Terahertz-Scanner in der Flughafensicherheit. Auch für die Quantenkommunikation oder als sensible Detektoren beispielsweise für Sprengkörper ließen sich solche Maser einsetzen. „Wir gehen davon aus, dass der Maser überall dort, wo Signale mit geringer Intensität über weite Distanzen empfangen und rauschfrei verstärkt werden sollen, neue Möglichkeiten eröffnet“, sagt Koautor Christopher Kay von der Universität des Saarlandes.
Breeze ergänzt: „Noch muss diese Technologie optimiert werden, aber wir hoffen, dass sie einst ähnlich wird wie heute schon der Laser.“ (Nature, 2018; doi: 10.1038/nature25970)
(Imperial College London, 22.03.2018 – NPO)
