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News: Stäbchengitter für kristallklare Signale

Moderne Telekommunikation setzt auf Mikrowellen - hochfrequente elektromagnetische Strahlung, die genug Bandbreite zur Verfügung stellt, um große Datenmengen durch den Äther zu schicken. Ähnlich wie beim Radio gilt es dabei, die Trägerfrequenz frei von benachbarten Störfrequenzen zu halten. Physiker stellten nun eine neue Methode vor, mit der dies auch bei sehr hohen Frequenzen gelingt.
Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen mit Frequenzen oberhalb von etwa einem Gigahertz, das heißt also, Wellenlängen unterhalb von 30 Zentimetern. Sie werden in der Telekommunikation vielfach verwendet. Mobiltelefone nutzen beispielsweise hochfrequente Trägerwellen zwischen 0,9 Gigahertz und 1,9 Gigahertz. Satelliten kommunizieren gar über noch höhere Frequenzen mit ihren Bodenstationen. Bei all diesen Geräten kommt es darauf an, dass die Trägerwelle möglichst rein von begleitenden Störwellen gehalten wird.

Allerdings produzieren Mikrowellenquellen eben auch solche unerwünschten Nebenfrequenzen. Ein Mittel sie auszumerzen ist der so genannte Hohlraumresonator. Dabei handelt es sich um Hohlkörper, deren Wände aus einem sehr gut leitfähigen Stoff bestehen und deren Größe mit der Wellenlänge der gewünschten Mikrowellenstrahlung vergleichbar ist. In einem derartigen Resonator bilden sich stehende Wellen (Moden) einer bestimmten, gewünschten Frequenz aus und werden verstärkt. Das Problem ist jedoch, dass es sehr schwierig ist, solche Resonatoren für sehr kurze Wellenlängen im Millimeterbereich herzustellen, da diese sehr klein sein müssten.

Nun haben Jagadishwar Sirigiri und seine Kollegen vom Massachusetts Institute of Technology einen Mikrowellenresonator gebaut, dessen Frequenzeigenschaften nicht von seiner Größe abhängen. Als Quelle für die Mikrowellenstrahlung diente den Wissenschaftlern ein so genanntes Gyrotron – ein Gerät, in dem fast Licht-schnelle Elektronen in einem starken Magnetfeld kreisen und dabei Strahlung emittieren. Die Mikrowellen passieren anschließend einen Käfig aus 102 Metallstäben (je 1,59 Millimeter im Durchmesser), der oben und unten durch zwei Metallplatten abgeschlossen ist. Durch je ein Loch in der oberen und unteren Platte kann die Strahlung zum einen vom Gyrotron eintreten und auf der anderen Seite nach außen entlassen werden.

Der Stabkäfig wirkte nun wie ein photonischer Kristall – eine regelmäßige, periodische Struktur, die nur Licht bestimmter Wellenlänge passieren lässt. Das heißt, dass nur Mikrowellen einer bestimmten Frequenz durch die Stäbe gelangten, während andere zurück ins das Gyrotron reflektiert wurden. So verstärkte sich durch Resonanz eine bestimmte Frequenz und ein deutliches Signal wurde erzeugt. Auf diese Weise gelang es dem Team, einen Resonator herzustellen, der ähnlich gut wie herkömmliche Hohlraumresonatoren arbeitet, jedoch flexibel in der Größe ist.

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