Physikerinnen und Physiker der Universität Würzburg haben mit dem Exzellenzcluster ctd.qmat den weltweit ersten kontinuierlich arbeitenden Maser aus dem Halbleiter Siliziumkarbid realisiert. Die im Fachjournal Nature Communications veröffentlichte Entwicklung könnte künftig kompakte Mikrowellenquellen, rauscharme Verstärker und hochpräzise Magnetfeldsensoren ermöglichen, mit Perspektiven auch für die Raumfahrt.
Bild: Universität Würzburg/A. Gottscholl, A. Sperlich
Ein Maser funktioniert nach demselben physikalischen Prinzip wie ein Laser, erzeugt jedoch keine Lichtwellen, sondern Mikrowellenstrahlung. Die Bezeichnung steht für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Während Laser heute in Datenübertragung, Messtechnik und Fertigung weit verbreitet sind, blieben Maser in der Praxis bisher selten, da sie meist aufwendige Betriebsbedingungen wie sehr tiefe Temperaturen benötigten.
Ein Team um Professor Vladimir Dyakonov und Privatdozent Dr. Andreas Sperlich vom Lehrstuhl für Experimentelle Physik 6 der Universität Würzburg hat nun einen Maser entwickelt, der dauerhaft und sogar oberhalb von Raumtemperatur funktioniert. Grundlage ist Siliziumkarbid, ein Halbleiter, der bereits großindustriell für Leistungselektronik verwendet wird. Im Kristallgitter erzeugten die Forschenden gezielt atomare Fehlstellen, indem sie einzelne Silizium-Atome entfernten. An diesen Defekten entstehen wohldefinierte quantenmechanische Spin-Zustände, die sich mit Licht gezielt anregen lassen. „Durch Nutzung der Spins machen wir aus Siliziumkarbid ein Material, das aktiv mit Mikrowellen interagiert“, erklärt Erstautor Dr. Andreas Gottscholl. Die angeregten Spins senden dabei kohärente Mikrowellenstrahlung aus oder verstärken sie. Damit dieser Effekt ausreichend stark wird, benötigt der Maser wie ein Laser einen Resonator, der nur Schwingungen der passenden Frequenz verstärkt. Eine verbesserte Güte dieses Resonators ermöglichte den kontinuierlichen Betrieb bei Raumtemperatur.
Der Siliziumkarbid-Maser lässt sich nicht nur als Mikrowellenquelle nutzen, sondern zeigte in ersten Versuchen auch Potenzial als rauscharmer Verstärker, wie er unter anderem in Smartphones, Mobilfunk-Basisstationen und Satelliten für schwache Mikrowellensignale benötigt wird. Zudem eröffnet die hohe Frequenzstabilität des Masers neue Möglichkeiten für hochpräzise Magnetfeldmessungen, da sich seine Frequenz empfindlich mit dem Umgebungsmagnetfeld verändert. Bei Raumtemperatur erreicht das System eine Magnetfeldempfindlichkeit von etwa 20 Pikotesla, rund eine Million Mal schwächer als das Erdmagnetfeld. Diese Präzision ist auch für GPS-unabhängige Navigation interessant, ein Feld mit besonderer Relevanz für die Raumfahrt, wo Satellitennavigation nicht immer verfügbar ist. Langfristig streben die Forschenden Maser-Dioden auf einem Chip an.