Um eine Maserwirkung zu erzielen, wurde ein Diamant in einem Saphirring platziert und mit grünem Licht eines Lasers bestrahlt. Der Diamant erscheint aufgrund der Fluoreszenz nach Anregung rot.

Bild: Jonathan Breeze, Universität des Saarlandes

Kommunizieren über 17 Milliarden Kilometer Entfernung Aus dem All auf die Erde

30.10.2018

Unvorstellbare 17 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt fliegt die Raumsonde Voyager 2 durch das Weltall. Von dort aus kann sie dennoch klare Signale an die Bodenstation senden. Möglich ist die stabile Kommunikation durch die Maser-Technologie. Bisher konnte sie nur im Weltraum eingesetzt werden. Nun hat ein Forscherteam einen Weg gefunden, sie auch auf der Erde zu nutzen.

Die Physik des Masers ist im Wesentlichen dem Laser sehr ähnlich: Beide erzeugen kohärente elektromagnetische Strahlung bei einer einzigen Frequenz. „Bisher werden Maser vor allem für die Kommunikation im Weltraum eingesetzt, um etwa den Funkkontakt zur Voyager-Raumsonde aufrecht zu erhalten. Maser können sehr schwache Signale rauschfrei verstärken. Das macht sie auch für künftige Kommunikationstechnologien auf der Erde interessant“, sagt Christopher Kay, Professor für Physikalische Chemie an der Universität des Saarlandes. Bisher hatte die Maser-Technologie jedoch einen erheblichen Nachteil. Sie benötigt sehr niedrige Temperaturen. Nun hat ein Forscherteam einen Maser entwickelt, der auch bei Raumtemperaturen genutzt werden kann. Dazu verwendeten sie einen Diamanten, den sie in ein Magnetfeld platzierten und mit dem grünem Licht eines Lasers bestrahlten. Der Diamant erscheint aufgrund der Fluoreszenz nach Anregung rot. Durch einen Defekt im Diamant, sogenannte Stickstoff-Leerstellen, wird eine Strahlung erzeugt. Das Magnetfeld verstärkt und stabilisiert diese.

Ein defekt im Diamant

Nachteil der Maser-Technologie war bislang, dass sie sehr niedrige Temperaturen benötigte, die nur durch den Einsatz von flüssigem Helium erreicht werden konnten. Gemeinsam mit Forscherkollegen am London Centre for Nanotechnology hat Christopher Kay jetzt einen Maser entwickelt, der unter normalen Raumtemperaturen betrieben werden kann. Die Physiker verwenden dafür einen Saphir-Resonator, der in einem Magnetfeld platziert wird, um die Mikrowellenstrahlung phasenstabil zu verstärken. Diese Strahlung wird erzeugt, indem Stickstoff-Leerstellen im Diamanten optisch angeregt werden. Im Gegensatz zu reinen Diamanten, die nur Kohlenstoffatome enthalten und daher farblos sind, wird in diesem hier verwendeten Diamanten eine geringe Anzahl von Kohlenstoffatomen durch ein Stickstoffatom ersetzt. Die Stelle neben dem Stickstoffatom, die normalerweise ein Kohlenstoffatom enthält, ist leer. „Dieser Defekt wird als NV-Center (von Nitrogen Vacancy) bezeichnet und gibt dem Diamanten eine violette Farbe. Er weist eine Vielzahl bemerkenswerter Quanteneigenschaften auf und ist daher für die Entwicklung neuer Technologien, vor allem für Anwendungen im Nanobereich interessant“, erläutert Christopher Kay. Maser können für präzisere Messungen bei Untersuchungen im Weltraum oder in der Nanotechnologie eingesetzt werden, was unter dem Begriff der Nanometrologie zusammengefasst wird. „Wir gehen zudem davon aus, dass überall dort, wo Signale mit geringer Intensität über weite Distanzen empfangen und rauschfrei verstärkt werden sollen, der Maser neue Möglichkeiten eröffnet“, so Kay.

Bildergalerie

  • Diamant im Saphirring: Wissenschaftler entwickeln Raumtemperatur-Maser zur Übertragung schwacher Signale.

    Bild: Jonathan Breeze, Universität des Saarlandes

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