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Quantentechnik: Diamant macht Maser unvergänglich

Die Mikrowellenvariante des Lasers ließ sich bisher nur mit hohem Aufwand handhaben. Viele Maser brauchen extrem niedrige Temperaturen oder liefern nur kurze Strahlungspulse. Nun betreiben Wissenschaftler ein Exemplar auf Basis eines millimetergroßen Kristalls kontinuierlich und bei Raumtemperatur.
Ein würfelfürmiger Diamantkristall leuchtet rot unter grünem Laserlicht.

Im Labor gab es die erste stimulierte Emission von Mikrowellen sogar noch vor der ersten bei Licht. Praktisch hat der so genannte Maser den akademischen Startvorsprung schnell verloren. Aus dem Alltag kennen wir stattdessen seinen kleinen, kurzwelligeren Bruder, den Laser. Dieser eroberte mit etlichen Anwendungen die Grundlagenforschung, Materialbearbeitung und Elektronik. Heute prägen in jedem Haushalt miniaturisierte und günstige Laser in DVD-Laufwerken oder Katzenspielzeugen die Freizeitgestaltung. Unterdessen hat die Welt den älteren Bruder in technische Nischen verbannt. Komplex konstruierte und entsprechend teure Maser beispielsweise geben in hochgenauen Uhren den Takt an oder verstärken in Radioteleskopen rauscharm schwache kosmische Signale.

Ein Grund für die unterschiedliche Entwicklung: Forscher konnten die klobigen Maser nicht von einigen harschen, aber notwendigen Betriebsbedingungen befreien. Dazu gehören etwa Vakuum oder extreme Kälte. Nun hat eine Arbeitsgruppe um den Materialwissenschaftler Jonathan Breeze vom Imperial College London einen Maser vorgestellt, der ohne derlei aufwändige Maßnahmen bei Raumtemperatur kontinuierlich arbeitet. Vor allem die Suche nach einem dafür geeigneten Werkstoff hat den Weg so beschwerlich gemacht. Das britische Team wählte stilsicher Diamant.

Maser – halb Mensch, halb Laser

Ein Maser (kurz für »microwave amplification by stimulated emission of radiation«, auf Deutsch Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Emission) basiert auf einem quantenmechanischen Prinzip: Materialien können Energie in bestimmten Portionen aufnehmen und abgeben. Normalerweise befinden sich dabei die meisten Teilchen im Grundzustand niedrigster Energie. Nur einzelne absorbieren einen äußeren Impuls – etwa einen Lichtblitz – und springen kurz auf ein höheres Niveau.

In einem Maser ist das Gegenteil der Fall. Hier pumpt eine äußere Quelle unablässig elektromagnetische Energie in das System. So befördert sie ständig Teilchen in einen höher gelegenen Zustand, bis sich die meisten von ihnen dort befinden anstatt in den niedrigeren Niveaus – es herrscht »Besetzungsinversion«. Immer wieder fallen Teilchen zurück. Dabei senden sie Strahlung aus und regen andere an, dasselbe zu tun. Das bezeichnen Physiker als stimulierte Emission.

Ein so genannter Resonator hält einen Teil der Photonen gefangen. Im einfachsten Fall sind das zwei Spiegel in einem zur Frequenz passenden Abstand, zwischen denen die Strahlung der gewünschten Wellenlänge hin- und herläuft und sich gewissermaßen aufschaukelt. Ein Teil der Lichtteilchen verlässt die Apparatur gebündelt als Maser- oder Laserstrahl. Unter günstigen Umständen kann eine solche Apparatur kontinuierlich arbeiten. Leitet das Material allerdings aufgestaute Wärme nur langsam wieder ab, würde die Hitze es zerstören. Dann kann es nur kurze Strahlungspulse liefern.

Jäger des verlorenen Schatzes

Während die Konstrukteure von Lasern inzwischen viele geeignete Stoffe für den Dauerbetrieb bei verschiedensten Wellenlängen gefunden haben, ist die Auswahl bei den Masern noch immer gering. Als Medium besonders begehrt sind Festkörper. Im Vergleich zu Gas ermöglichen sie beispielsweise eine einfachere und kompaktere Bauweise. Bereits der erste Laser 1960 basierte auf einem solchen, dem Rubin, und lief bei Raumtemperatur. Doch erst 2012 entwickelten Forscher um Mark Oxborrow am britischen National Physical Laboratory einen Maser auf Basis eines organischen Kristalls, der auch ohne aufwändige Kühlung Mikrowellenstrahlung abgab. Die empfindlichen organischen Moleküle halten aber keine großen Temperaturen aus, und der Kristall leitet Wärme schlecht ab. Darum ließ sich der Maser nur gepulst betreiben. Aber immerhin war endlich ein Material gefunden, bei dem auch ohne extreme Kühlung die Maserstrahlung emittierenden Zustände lange genug erhalten blieben. So konnte Oxborrow erfolgreich gegen das ständige Herabfallen anpumpen und die Besetzungsinversion aufrechterhalten – wenigstens kurzzeitig.

Kurz darauf funkelte Diamant als Masermedium auf. 2014 hatten Physiker aus Sankt Petersburg und Würzburg seine grundsätzliche Eignung erkannt. Dass ein effizienterer Betrieb als beim britischen organischen Maser theoretisch möglich ist, haben Wissenschaftler aus Hongkong und Stuttgart 2015 mit Modellrechnungen gezeigt. Entscheidend dafür sind Verunreinigungen im Kristall, so genannte Stickstofffehlstellen. Dabei sitzt an einigen Orten im Gitter ein Stickstoffatom und das benachbarte Kohlenstoffatom fehlt. Dadurch sind Bindungen nicht besetzt, und die entsprechenden Elektronen können drei mögliche Zustände einnehmen. Die Energieniveaus solcher »NV-Zentren« waren unter Forschern bereits für ihre lange Stabilität bekannt. Für ihre Rolle im Maser bedeutet das: Man muss die Elektronen nicht so oft anstoßen, um eine Besetzungsinversion aufrechtzuerhalten – die Zustände leben etwa 50-mal länger als bei Oxborrows organischem Material. Außerdem leitet Diamant Wärme vieltausendfach besser. Zusammengenommen weckte das Hoffnungen, ein Diamant würde die vergleichsweise wenige entstehende Hitze ausreichend schnell abführen, um einen Maser auch bei Raumtemperatur kontinuierlich zu betreiben.

In dunklem Diamant leuchtet die Zukunft

Jonathan Breeze hat die Idee aufgegriffen und aus einem solchen Kristall einen Maser gebaut. Der Materialkundler hatte bereits an Oxborrows Experiment von 2012 mitgearbeitet. Für den neuen Aufbau verwendete er einen wenige Millimeter kleinen Diamantwürfel (anders als die üblichen Schmucksteine wirkt er wegen der gezielt eingebrachten Verunreinigungen fast schwarz) und umhüllte ihn mit Resonatoren in Form eines passgenauen Rings aus Saphir und einem etwa drei Zentimeter großen Hohlraum aus Kupfer. Ein von außen angelegtes Magnetfeld trennte zunächst die möglichen Elektronenzustände in unterschiedliche Energien auf. Anschließend regte ein grüner Laser die Fehlstellen im Diamant an.

Mit diesem Aufbau erreichten die Forscher schließlich tatsächlich stimulierte Emission. Statt im niedrigsten Niveau tummelten sich die Elektronen also mehrheitlich im höheren und sandten kollektiv Mikrowellenstrahlung aus – bei Raumtemperatur und ohne Unterbrechung. Bei einem Testlauf lieferte die Quelle zehn Stunden lang eine gleich bleibende Leistung. Darüber hinaus ist die Frequenz der Mikrowellen prinzipiell veränderbar. Dazu muss ein stärkeres oder schwächeres Magnetfeld lediglich die Unterschiede in den Energieniveaus passend verschieben. Dieses einfache Prinzip könnte sich für zahlreiche Anwendungen weiterentwickeln lassen, in denen aufwändigere Maser bisher unpraktikabel waren.

Viele Bereiche der Kommunikationstechnik basieren heute bereits auf herkömmlichen Mikrowellen. Ein Maser ist für extrem rauscharme Datenübermittlung und Signalverstärkung interessant und besonders für quantentechnische Anwendungen geeignet. Ohnehin untersuchen Forscher Diamanten mit Stickstofffehlzentren seit Jahren intensiv als mögliche Speicher quantenmechanischer Informationen. Nun gibt es ein neues Instrument, um solche Zustände handzuhaben oder Informationen daraus zu übertragen.

Vor Jahrzehnten wurden Laser zum zentralen Werkzeug der ersten quantenoptischen Umwälzungen in Wissenschaft und Industrie. Nun treten Maser gerade rechtzeitig zur beginnenden zweiten Quantenrevolution aus dem Schatten ihres kleinen Bruders.

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