Ob Supermarktkassen, Sensoren, Datenübertragung oder Chip-Fertigung: Laser sind heute unverzichtbar. Sie erzeugen ihr reines, im Gleichtakt schwingendes Licht durch eine stimulierte Emission von Photonen: Das Lasermaterial wird optisch oder elektrisch angeregt und setzt in einer Kettenreaktion Photonen frei, die in einem Resonator – einer Art Spiegelkammer – gesammelt und dann kontrolliert als kohärenter Strahl freigesetzt werden.
Nach dem gleichen Prinzip funktioniert auch der Maser – das Mikrowellen-Gegenstück des Lasers. Doch obwohl Maser älter sind als der Laser, werden sie kaum eingesetzt. Das Problem sind die aufwendigen Betriebsbedingungen: Freie-Elektronen- und Atom-Maser benötigen ein Vakuum und Festkörper-Maser meist ultrakalte Temperaturen. Erst in den letzten Jahren haben Forschende erste Raumtemperatur-Maser entwickelt, darunter einen organischen Maser, der gepulste Strahlung abgibt, und einen kontinuierlichen Maser aus Diamant. Für eine breite Anwendung eignen sich aber auch diese Maser nicht.
Wie Siliziumkarbid zum Maser-Medium wird
Das könnte sich nun ändern. Denn ein Team um Andreas Gottscholl von der Universität Würzburg hat nun den ersten Raumtemperatur-Maser aus einem gängigen Halbleiter entwickelt. Als aktives Medium des Masers dient Siliziumkarbid (SiC), ein in der Elektronik schon gängiges Halbleitermaterial. Um dieses zum Maser-Medium zu machen, erzeugten die Physiker Fehlstellen im Kristallgitter des Siliziumkarbids, indem sie einzelne Siliziumatome entfernten. „Diese Defekte sind perfekte Kandidaten für einen Maser“, erklärt das Team.
Der Grund: Die Lücken im Kristallgitter haben quantenmechanische Spin-Zustände, die sich durch Licht oder Strom anregen lassen. Dies löst Quantenübergänge aus, bei denen Mikrowellen-Photonen freiwerden. Wird dann zusätzlich ein externes Magnetfeld angelegt, verstärkt sich der Effekt und es entsteht eine ganze Lawine von kohärenten Mikrowellen-Photonen – die stimulierte Emission. Ähnlich wie bei einem Laser werden diese Photonen durch einen Resonator gesammelt und gebündelt. Beim Siliziumkarbid-Maser besteht er aus einer Kupferhülle mit Saphirkern.
Aufbau des neuen Halbleiter-Masers. — © Gottscholl et al./ Nature Communications, CC-by 4.0
Arbeitet bei Raumtemperatur und ist großindustriell herstellbar
„Unsere Studie markiert einen signifikanten Meilenstein: den ersten kontinuierlichen Halbleiter-Maser, der auf Silizium-Fehlstellen in Siliziumkarbid beruht“, schreiben Gottscholl und seine Kollegen. Wichtig ist dies deshalb, weil dieser Maser bei Raumtemperatur funktioniert und noch dazu aus einem so gängigen Halbleitermaterial besteht. „Siliziumkarbid ist in der Elektronikindustrie etabliert und kann in großem Maßstab als Wafer hergestellt werden“, erklären sie. Das macht auch den Maser gut herstellbar und günstig.
In ersten Tests erwies sich der neu entwickelte Halbleiter-Maser zudem nicht nur als gute Quelle kohärenter Mikrowellenstrahlung. Die Physiker demonstrierten auch weitere Einsatzmöglichkeiten ihres Masers – beispielsweise als rauscharmer Mikrowellenverstärker. „In Smartphones, Mobilfunk-Basisstationen, Computern oder auch Satelliten kommen jeweils mehrere Mikrowellen-Signalverstärker zum Einsatz, die aber bisher ohne Maser-Technologie auskommen müssen“, erklärt Seniorautor Andreas Sperlich.
Einsetzbar auch als Mikrowellen-Kühlschrank oder Magnetsensor
Der Siliziumkarbid-Maser eignet sich sogar als Mikrowellen-Kühlschrank – beispielsweise für Quantentechnologien: „Das System kann in umgekehrter Richtung arbeiten und fungiert dann als optisch gepumpter Mikrowellen-Absorber“, erklären die Physiker. „Das führt zu einer effektiven Kühlung der Mikrowellen-Temperatur.“ Im Experiment entsprach der Energieverlust einer Abkühlung um rund 40 Grad.
Auch für hochpräzise Magnetfeldmessungen eröffnet der Maser neue Möglichkeiten. Denn seine Emission hängt direkt von der Intensität des externen Magnetfelds ab. „Weil schon geringfügige Schwankungen des Magnetfelds eine starke Verschiebung der Frequenz oder der Ausgangsleistung erzeugen, lässt sich dieser Maser zur Magnetometrie einsetzen“, berichten Gottscholl und sein Team. Sie schätzen die untere Messgrenze ihres Masers auf etwa 20 Pikotesla – das ist ähnlich präzise wie existierende Magnetometer.
Zusammengenommen sehen die Physiker in ihrem Halbleiter-Maser eine neue Chance, solche kohärenten Mikrowellen breit nutzbar zu machen. „Ein auf diesem Standard beruhender Maser könnte zu einem Gamechanger für alltägliche Mikrowellen-Anwendungen werden und eine ganze Generation neuartiger Spindefekt-Masern ermöglichen“, konstatieren die Forscher.
Quelle: Andreas Gottscholl et al., (Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Nature Communications, 2026; doi: 10.1038/s41467-026-75446-2
