Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Wissenschaftler entwickeln Raumtemperatur-Maser zur Übertragung schwacher Signale

22.03.2018

Die Raumsonde Voyager 2 hat sich um kaum vorstellbare 17 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt und sendet weiterhin Signale an die Bodenstation. Möglich macht dies die Maser-Technologie, die ähnlich dem Laser kohärente Wellen erzeugt und damit schwache Signale rauschfrei verstärkt. Für die Kommunikation auf der Erde wird diese Technologie bisher nur selten verwendet, weil sie nur bei tiefen Temperaturen funktioniert. Ein Forscherteam am London Centre for Nanotechnology und der Universität des Saarlandes hat jetzt jedoch einen Maser entwickelt, der auch bei Raumtemperaturen eingesetzt werden kann. Ihre Entwicklung ist der aktuelle Leitartikel des renommierten Fachjournals „Nature“.

Die Abkürzung „Maser“ steht für "microwave amplification by stimulated emission of radiation", also einer Mikrowellenverstärkung, die durch eine stimulierte Emission von Strahlung erzeugt wird. Die Physik hinter dem Maser ähnelt im Wesentlichen der des Lasers, dessen Name für „light amplification by stimulated emission of radiation“ steht. Beide erzeugen kohärente elektromagnetische Strahlung bei einer einzigen Frequenz.


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.

Jonathan Breeze


Diamant im Saphirring

Jonathan Breeze

„Bisher werden Maser vor allem für die Kommunikation im Weltraum eingesetzt, um etwa den Funkkontakt zur Voyager-Raumsonde aufrecht zu erhalten. Denn 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 und Didaktik der Chemie der Universität des Saarlandes.

Nachteil der Maser-Technologie war bisher, dass sie sehr tiefe Temperaturen benötigte, die nur durch den Einsatz von flüssigem Helium zu erreichen waren. 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 dem 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 zum Beispiel 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.

„In der wissenschaftlichen Community war bereits bekannt, dass man Diamanten mit NV-Centren als Grundlage für einen Maser verwenden kann. Der Schwerpunkt unserer Arbeiten lag darin, einen Diamanten in einen Saphir-Resonator zu platzieren", erklärt der leitende Autor der Nature-Publikation, der promovierte Physiker Jonathan Breeze vom Imperial College in London. Professor Christopher Kay ergänzt:

"Ein spannender Aspekt dieser Technologie ist, dass die Ausgangsfrequenz einfach durch Änderung des angelegten Magnetfelds eingestellt werden kann. Das aktuelle Gerät arbeitet mit einer Frequenz von neun Gigahertz. Zum Vergleich: Mobiltelefone arbeiten im Zwei-Gigahertz-Bereich. Mit handelsüblichen Magnettechnologien könnten mit unserem Raumtemperatur-Maser Frequenzen bis zu 200 Gigahertz erreicht werden."

Da Maser optische Photonen verwenden, um Mikrowellenphotonen zu erzeugen, erwarten die Forscher, dass ihre Arbeit auch neue Wege auf dem Gebiet der Diamant-Quantentechnologie eröffnen wird. Die Forschungsarbeit wurde vom UK Engineering and Physical Sciences Research Council sowie dem Henry-Royce-Institut unterstützt.

Originalpublikation in der aktuellen Ausgabe von “Nature”:
Continuous-wave room-temperature diamond maser: www.nature.com/articles/nature25970
(doi:10.1038/nature25970)

Pressefotos unter: www.uni-saarland.de/pressefotos

Kontakt:
Prof. Dr. Christopher Kay
Physikalische Chemie und Didaktik der Chemie
Tel.: 0681 302-2213
E-Mail: christopher.kay@uni-saarland.de

Hinweis für Hörfunk-Journalisten: Sie können Telefoninterviews in Studioqualität mit Wissenschaftlern der Universität des Saarlandes führen, über Rundfunk-Codec (IP-Verbindung mit Direktanwahl oder über ARD-Sternpunkt 106813020001). Interviewwünsche bitte an die Pressestelle (0681/302-3610).

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/articles/nature25970

Friederike Meyer zu Tittingdorf | Universität des Saarlandes

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Freund oder Feind?
14.07.2020 | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

nachricht Selbst bei Bakterien können sich Geschwister unterscheiden
14.07.2020 | Eberhard Karls Universität Tübingen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hammer-on – wie man Atome schneller schwingen lässt

Schwingungen von Atomen in einem Kristall des Halbleiters Galliumarsenid (GaAs) lassen sich durch einen optisch erzeugten Strom impulsiv zu höherer Frequenz verschieben. Die mit dem Strom verknüpfte Ladungsverschiebung zwischen Gallium- und Arsen-Atomen wirkt über elektrische Wechselwirkungen zurück auf die Schwingungen.

Hammer-on ist eine von vielen Rockmusikern benutzte Technik, um mit der Gitarre schnelle Tonfolgen zu spielen und zu verbinden. Dabei wird eine schwingende...

Im Focus: Kryoelektronenmikroskopie: Hochauflösende Bilder mit günstiger Technik

Mit einem Standard-Kryoelektronenmikroskop erzielen Biochemiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) erstaunlich gute Aufnahmen, die mit denen weit teurerer Geräte mithalten können. Es ist ihnen gelungen, die Struktur eines Eisenspeicherproteins fast bis auf Atomebene aufzuklären. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift "PLOS One" veröffentlicht.

Kryoelektronenmikroskopie hat in den vergangenen Jahren entscheidend an Bedeutung gewonnen, besonders um die Struktur von Proteinen aufzuklären. Die Entwickler...

Im Focus: Electron cryo-microscopy: Using inexpensive technology to produce high-resolution images

Biochemists at Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) have used a standard electron cryo-microscope to achieve surprisingly good images that are on par with those taken by far more sophisticated equipment. They have succeeded in determining the structure of ferritin almost at the atomic level. Their results were published in the journal "PLOS ONE".

Electron cryo-microscopy has become increasingly important in recent years, especially in shedding light on protein structures. The developers of the new...

Im Focus: Neue Schlankheitstipps für Computerchips

Lange Zeit hat man in der Elektronik etwas Wichtiges vernachlässigt: Wenn man elektronische Bauteile immer kleiner machen will, braucht man dafür auch die passenden Isolator-Materialien.

Immer kleiner und immer kompakter – das ist die Richtung, in die sich Computerchips getrieben von der Industrie entwickeln. Daher gelten sogenannte...

Im Focus: Elektrische Spannung aus Elektronenspin – Batterie der Zukunft?

Forschern der Technischen Universität Ilmenau ist es gelungen, sich den Eigendrehimpuls von Elektronen – den sogenannten Elektronenspin, kurz: Spin – zunutze zu machen, um elektrische Spannung zu erzeugen. Noch sind die gemessenen Spannungen winzig klein, doch hoffen die Wissenschaftler, auf der Basis ihrer Arbeiten hochleistungsfähige Batterien der Zukunft möglich zu machen. Die Forschungsarbeiten des Teams um Prof. Christian Cierpka und Prof. Jörg Schumacher vom Institut für Thermo- und Fluiddynamik wurden soeben im renommierten Journal Physical Review Applied veröffentlicht.

Laptop- und Handyspeicher der neuesten Generation nutzen Erkenntnisse eines der jüngsten Forschungsgebiete der Nanoelektronik: der Spintronik. Die heutige...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Intensiv- und Notfallmedizin: „Virtueller DIVI-Kongress ist ein Novum für 6.000 Teilnehmer“

08.07.2020 | Veranstaltungen

Größte nationale Tagung für Nuklearmedizin

07.07.2020 | Veranstaltungen

Corona-Apps gegen COVID-19: Nationalakademie Leopoldina veranstaltet internationales virtuelles Podiumsgespräch

07.07.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Wind trägt Mikroplastik in die Arktis

14.07.2020 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Nanoelektronik lernt wie das Gehirn

14.07.2020 | Informationstechnologie

Anwendungslabor Industrie 4.0 der THD: Smarte Lösungen für die Unikatproduktion

14.07.2020 | Informationstechnologie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics