Laser sind aus dem Alltag und der Forschung nicht mehr wegzudenken – etwa in der Datenübertragung, Messtechnik oder Fertigung. Maser hingegen sind bisher kaum in Anwendungen zu finden.
Die Abkürzung MASER steht für Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Dabei war der Maser tatsächlich sogar der Vorläufer des Lasers und funktioniert nach demselben physikalischen Prinzip. Er erzeugt und verstärkt jedoch kein Licht, sondern Mikrowellenstrahlung. Trotz ihres großen Potenzials waren Maser bislang meist auf technisch aufwendige Betriebsbedingungen, wie zum Beispiel sehr tiefe Temperaturen angewiesen. Das erschwerte bisher ihre breite Anwendung.
Ein Forschungsteam um Professor Vladimir Dyakonov und Privatdozent Dr. Andreas Sperlich vom Lehrstuhl für Experimentelle Physik 6 der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) hat einen bedeutenden Durchbruch auf dem Weg zu praktischen Maser-Systemen erzielt. Wie die Wissenschaftler im Journal Nature Communications berichten, haben sie einen Maser aus Siliziumkarbid entwickelt, der kontinuierlich arbeitet und sogar oberhalb von Raumtemperatur betrieben werden kann.
Spins im Halbleiter als Schlüssel zur Quantenfunktionalität
Das Team nutzt dafür ein etabliertes Halbleiter-Material: Siliziumkarbid. In seinem Kristallgitter erzeugten die Forschenden gezielt atomare Fehlstellen, an denen sie einzelne Silizium-Atome entfernten. Diese Defekte weisen wohldefinierte quantenmechanische Spin-Zustände auf, die sich mit Licht gezielt anregen lassen.
Siliziumkarbid wird bereits in großem Maßstab für Leistungselektronik verwendet und ist großindustriell verfügbar. Das macht den Werkstoff besonders attraktiv, wenn aus dem grundlegenden Nachweis im Labor einmal kompakte und integrierbare Maser-Bauelemente entstehen sollen.
„Durch Nutzung der Spins machen wir aus Siliziumkarbid ein Material, das aktiv mit Mikrowellen interagiert“, sagt Dr. Andreas Gottscholl, Erstautor der Studie. „Wir können die Spins mit Licht in einen angeregten Zustand versetzen, in dem sie kohärente Mikrowellenstrahlung aussenden oder sogar verstärken können.“
Damit der Effekt stark genug wird, braucht der Maser – ebenso wie ein Laser – einen Resonator. Er funktioniert ähnlich wie eine Schaukel: nur Mikrowellen-Schwingungen mit der richtigen Frequenz bauen sich immer weiter auf und werden verstärkt. Mit technischer Finesse steigerte das Würzburger Team die Güte des Resonators so weit, dass der Maser nun auch bei Raumtemperatur kontinuierlich arbeitet.
Perspektiven für Kommunikation und Sensorik
Der neue Siliziumkarbid-Maser kann nicht nur als Mikrowellenquelle dienen: In ersten Versuchen und Simulationen zeigte das Team außerdem sein Potenzial als rauscharmer Verstärker. „Beispielsweise für schwache Signale in der Kommunikations- und Messtechnik sind solche Verstärker essentiell“, erklärt Privatdozent Dr. Andreas Sperlich, leitender Autor der Studie „In Smartphones, Mobilfunk-Basisstationen, Computern oder auch Satelliten kommen jeweils gleich mehrere Mikrowellen-Signalverstärker zum Einsatz, die bisher ohne Maser-Technologie auskommen müssen.“
Auch für hochpräzise Magnetfeldmessungen eröffnet der Maser neue Möglichkeiten. Seine extrem hohe Frequenz-Stabilität erlaubt es, kleinste Änderungen eines Magnetfelds besonders empfindlich nachzuweisen. Dabei funktioniert der Maser wie eine tickende Uhr – ein Oszillator – deren Frequenz stark vom Umgebungsmagnetfeld abhängt. Je stärker das Magnetfeld ist, desto schneller tickt die Uhr.
Die Forschenden schätzen für ihr System bei Raumtemperatur eine Magnetfeldempfindlichkeit von etwa 20 Pikotesla – das ist etwa eine Million Mal schwächer als das Erdmagnetfeld. Damit ist eine Präzision erreicht, die für künftige Anwendungen in der Messtechnik und sogar für GPS-unabhängige Navigation interessant ist.
Langfristig sehen die Forschenden einen Weg zu elektrisch betriebenen Maser-Dioden auf einem Chip. Dafür spricht, dass sich die verwendeten Spin-Zustände in Siliziumkarbid nicht nur optisch, sondern prinzipiell auch elektrisch anregen lassen.
Die Arbeiten liefen am Lehrstuhl für Experimentelle Physik 6 der Universität Würzburg und im Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ctd.qmat. Gefördert wurde das Projekt unter anderem durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).
Das Würzburg-Dresdner Exzellenzcluster ctd.qmat Das Exzellenzcluster ctd.qmat – Complexity, Topology and Dynamics in Quantum Matter (Komplexität, Topologie und Dynamik in Quantenmaterialien) der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) und der Technischen Universität Dresden erforscht und entwickelt neuartige Quantenmaterialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Etwa 300 Forschende aus mehr als 30 Ländern entwerfen an der Schnittstelle von Physik, Chemie und Materialwissenschaften die Grundlagen für die Technologien der Zukunft. 2026 ist das Cluster in die 2. Förderperiode der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder gestartet – mit erweitertem Fokus auf die Dynamik von Quantenprozessen.
Publikation
Andreas Gottscholl, Maximilian Wagenhöfer, Valentin Baianov, Emilian Eisermann, Vladimir Dyakonov und Andreas Sperlich: “Semiconductor Room-Temperature Maser”, Nature Communications 17, 7267, 25. Juli 2026, Open Access: https://doi.org/10.1038/s41467-026-75446-2
Kontakt
PD Dr. Andreas Sperlich, Experimentelle Physik 6, Universität Würzburg, T +49 931 31-83117, andreas.sperlich@uni-wuerzburg.de
