Duitse onderzoekers bouwen maser die continu werkt bij kamertemperatuur

Een maser doet met microgolven wat een laser met licht doet: hij versterkt straling zodat die coherent en bruikbaar wordt. De techniek bestaat al sinds de jaren vijftig en ging zelfs vooraf aan de laser. Toch bleef de maser altijd een curiosum in het laboratorium. De meeste versies werkten alleen bij temperaturen tot ver onder het vriespunt, wat praktische toepassingen buiten gespecialiseerde meetopstellingen onmogelijk maakte. Een team onder leiding van hoogleraar Vladimir Dyakonov en dr. Andreas Sperlich van de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) heeft die barrière nu doorbroken. In het vakblad Nature Communications beschrijven ze een maser die continu blijft draaien bij en zelfs boven kamertemperatuur.

Spins in siliciumcarbide doen het werk

De sleutel tot het systeem ligt in siliciumcarbide, een materiaal dat de industrie al op grote schaal gebruikt in vermogenselektronica, bijvoorbeeld in laders en stroomomvormers. De onderzoekers verwijderden gericht losse siliciumatomen uit het kristalrooster van het materiaal. Op die plekken ontstaan atomaire defecten met een goed gedefinieerde kwantumspin, een soort ingebouwd magnetisch kompasnaaldje op atomaire schaal. Met licht kunnen de onderzoekers deze spins naar een aangeslagen toestand brengen, waarna ze coherente microgolfstraling uitzenden of zelfs versterken. Eerste auteur Andreas Gottscholl noemt siliciumcarbide zo een materiaal dat actief met microgolven kan communiceren. Om het effect sterk genoeg te maken, is net als bij een laser een resonator nodig: een soort holte die alleen golven van de juiste frequentie laat opbouwen, vergelijkbaar met een schommel die alleen op het juiste ritme steeds hoger gaat. Door de resonator zorgvuldig te verbeteren, kreeg het team de kwaliteit van deze holte zo hoog dat continu bedrijf bij kamertemperatuur eindelijk mogelijk werd.

Van 5G-signalen tot navigatie zonder gps

De toepassingen reiken verder dan alleen het opwekken van microgolven. In experimenten en simulaties toonde het team ook aan dat de maser kan dienen als ruisarme versterker: een onderdeel dat zwakke signalen versterkt zonder er veel eigen ruis aan toe te voegen. Zulke versterkers zitten in smartphones, zendmasten, computers en satellieten, maar werkten tot nu toe nooit met masertechniek. Daarnaast is de maser opvallend stabiel in frequentie, waardoor hij ook dienst kan doen als extreem gevoelige sensor voor magnetische velden. De onderzoekers schatten een gevoeligheid van ongeveer 20 picotesla bij kamertemperatuur: ruwweg een miljoen keer zwakker dan het magnetisch veld van de aarde. Die precisie kan relevant worden voor toekomstige metrologie en zelfs voor navigatie die niet van gps afhankelijk is. Op de langere termijn denkt het team aan maserdiodes die elektrisch worden aangedreven en direct op een chip zijn geïntegreerd, iets wat mogelijk is omdat de spins in siliciumcarbide in principe ook elektrisch kunnen worden aangeslagen in plaats van alleen optisch.