Purple Diamond Maser könnte eines Tages Signale aus dem Weltraum verstärken

UNSW-Ingenieure haben ein spezielles Masersystem entwickelt und gebaut, das Mikrowellensignale – beispielsweise aus dem Weltraum – verstärkt, aber nicht unterkühlt werden muss.

Man sagt, Diamanten seien die beste Freundin eines Mädchens – aber das könnte bald auch für Astronomen und Astrophysiker gelten, die die neue Forschung verfolgen. Das Team von Quantenexperten hat ein Gerät namens Maser entwickelt, das einen speziell hergestellten violetten Diamanten verwendet, um schwache Mikrowellensignale zu verstärken, wie sie beispielsweise aus dem Weltraum kommen können.

Am wichtigsten ist, dass ihr Maser bei Raumtemperatur arbeitet, während frühere Geräte dieser Art mit großem Aufwand auf etwa minus 269 °C unterkühlt werden mussten.

Die verstärkten Signale, die ursprünglich von Pulsaren, Galaxien oder sehr weit entfernten Raumfahrzeugen ausgesendet wurden, könnten letztendlich entscheidend für die Erweiterung unseres Verständnisses des Universums und der grundlegenden Physik sein.

Das UNSW-Forschungsteam unter der Leitung von außerordentlichem Professor Jarryd Pla hat veröffentlicht ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Körperliche Untersuchung XDarin wird beschrieben, wie ein sogenanntes Spinsystem innerhalb des Diamanten schwache Signale bei Raumtemperatur verstärken kann.

„Die Mikrowellen dringen in das Gerät ein und dann erzeugen die Spins im Inneren des Diamanten Kopien davon, wodurch die Mikrowellensignale tatsächlich verstärkt werden. Im Idealfall kommen die Mikrowellensignale dann viel größer und mit sehr wenig Rauschen heraus“, sagt A/Prof. Sagt Pla.

„Derzeit werden elektronische Verstärker verwendet, um Signale von sehr weit entfernten Raumfahrzeugen wie Voyager 1 zu erkennen, die jetzt mehr als 24 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt sind, aber immer noch Daten senden.

„Diese Verstärker werden kryogen gekühlt, um das sogenannte thermische Rauschen zu reduzieren, bei dem es sich um zufälliges elektrisches Rauschen handelt, das durch die Bewegung von Elektronen in den Verstärkerkomponenten erzeugt wird. Andernfalls würde dieses Rauschen die empfangenen Signale einfach überlagern.“

„Unser Raumtemperatur-Festkörper-Maser-Verstärker vermeidet alle Komplikationen und Kosten, die mit der Kühlung auf extrem niedrige Temperaturen verbunden sind, und ist außerdem viel kompakter.“

In der Arbeit zeigen die Forscher, dass ihr Masersystem Signale um den Faktor 1.000 verstärken kann.

Das Stickstoff-Leerstellenzentrum dreht sich

Der vom UNSW-Team entwickelte Proof-of-Concept-Maser, zu dem auch Herr Tom Day, Hauptautor der Studie, gehört, funktioniert durch die Züchtung eines Diamanten in einem Labor, der Unvollkommenheiten aufweist, die als Stickstoff-Leerstellenzentren (NV) bekannt sind.

Bei dieser NV handelt es sich um einen absichtlichen Defekt, bei dem ein Stickstoffatom ein Kohlenstoffatom neben einer leeren Stelle in der Kristallstruktur ersetzt und so ein Spinsystem entsteht.

Wenn das Spinsystem in ein Magnetfeld gebracht und gleichzeitig einem starken grünen Laserstrahl ausgesetzt wird, ist es in der Lage, eingehende Mikrowellensignale zu verstärken.

Neben Anwendungen in der Weltraumforschung könnte der Raumtemperatur-Maser auch in Verteidigungsanwendungen wie Radar von großem Nutzen sein.

Radargeräte senden elektromagnetische Signale aus, die von Objekten reflektiert werden und zum Radar zurückkehren, um Informationen über den Standort, die Geschwindigkeit und die Größe der Objekte zu liefern. Daher wäre es möglicherweise sehr nützlich, schwache Signale leichter erkennen und verstärken zu können.

Lila regiert

Das Forschungsteam erkennt an, dass weitere Entwicklungen erforderlich sind, um den Lärm in seinem Maser-System zu reduzieren, geht aber davon aus, dass ein kommerzielles Gerät innerhalb von zwei bis drei Jahren in Betrieb gehen könnte.

Sie untersuchen den Effekt einer Erhöhung der Konzentration von NV-Spins im Inneren des Diamanten und verbessern auch andere Komponenten des Systems, beispielsweise den Resonator, in dem der Diamant sitzt.

„Tatsächlich müssen wir die Diamanten violetter machen“, sagt Herr Day.

„Die violette Farbe wird tatsächlich durch rotes Licht verursacht, das von den NV-Zentren emittiert wird. Dunklere Proben bedeuten mehr NV-Zentren, was letztendlich zu einer höheren Verstärkung und einem geringeren Rauschniveau führt und die verstärkten Signale klarer macht.“

„Wenn man diese Diamanten jedoch mit einer sehr hohen Dichte an NV-Zentren wachsen lässt, kann es zu unerwünschten Defekten kommen, das ist also ein materialtechnisches Problem, das wir lösen.“

A/Prof. Pla fügt hinzu: „Um mit den aktuellen kryogenen Verstärkern im Hinblick auf den niedrigen Rauschpegel konkurrenzfähig zu sein, wissen wir, dass wir die NV-Konzentration im Diamanten noch weiter steigern müssen. Und wir glauben, dass wir noch einiges tun können, möglicherweise sogar nach oben.“ zu einer Verbesserung um eine Größenordnung.

„Wir arbeiten auch mit Herstellern aus Frankreich und Japan zusammen, um bessere Resonatoren zu produzieren, und wir gehen davon aus, dass dadurch auch der Lärm deutlich verbessert werden könnte.“