Weil er im Gegensatz zum Laser nur hochspezialisierte Anwendungen hat, ist der Maser etwas in Vergessenheit geraten. Dabei waren ihm die ersten Atomuhren sowie enorme Fortschritte in der Mikrowellen-Kommunikation zu verdanken. Dank stickstoffhaltigen, synthetischen Diamanten können Maser nun bei Raumtemperatur kontinuierlich betrieben werden.
„Maser“ ist die Abkürzung für „Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. Er wurde 1951 vom amerikanischen Physiker Charles M. Townes erfunden, der dafür 1964 den Nobelpreis erhielt. Maser werden vor allem als rauscharme Verstärker und als Strahlungsquellen für den Mikrowellenbereich eingesetzt. Der erste Maser verwendete als aktive Substanz das Ammoniakmolekül (NH3), das man sich als Pyramide oder Tetraeder vorstellen kann. An den Ecken der dreieckigen Grundfläche befindet sich je ein Wasserstoffatom, während die Spitze der Pyramide vom Stickstoffatom besetzt ist. Wird dieses auf seine Resonanzfrequenz angeregt, so kann es durch die Grundfläche hindurch schwingen. Die Pyramide kehrt sich immer wieder um, und zwar 23,87 Milliarden Mal pro Sekunde.
Diese Schwingungsfrequenz ist äusserst stabil und wird durch externe Faktoren kaum beeinflusst. Normalerweise ist immer ein Teil der Ammoniakmoleküle angeregt, während sich der Rest im Grundzustand befindet. Schickt man einen Strahl von Ammoniakmolekülen durch ein elektrisches Feld, so kann man die angeregten Moleküle von denjenigen im Grundzustand abtrennen. Die angeregten Ammoniakmoleküle werden in einen Hohlraumresonator geleitet, dessen Abmessungen auf die Maserwellenlänge abgestimmt sind. Den ursprünglichen Zweck des Masers, die Verstärkung von Mikrowellen, erzielt man durch Einspeisen des zu verstärkenden Signals in den Hohlraumresonator. Damit stimuliert man die angeregten Moleküle dazu, in den Grundzustand zurückzufallen, unter Emission der entsprechenden Mikrowellenstrahlung. Ihre Frequenz entspricht genau dem eingespeisten Signal, doch ist die Intensität ist viel höher.
Ammoniak-Uhren
Um die sehr scharf definierte und kohärente 23,87-GHz-Strahlung des Ammoniak-Masers für die Zeitmessung zu nutzen, speist man in den Hohlraum auf konventionelle Weise erzeugte und nicht sehr frequenzstabile Mikrowellen mit der Frequenz von 23,87 GHz ein. Man erhält ein Absorptionsmaximum bei der scharfen Anregungsfrequenz des Ammoniakmoleküls: Auf diesen Wert wird der quarzgesteuerte elektronische Oszillator ständig nachgeregelt und stabilisiert.
Im Lauf der 1950er Jahre wurden vielerorts Ammoniakuhren in Betrieb genommen, unter anderem am Neuenburger Uhrenforschungslaboratorium (LSRH). Damit konnte man Quarzgrossuhren stabilisieren und so ihre Präzision wesentlich verbessern. Konkurrenz erhielt der Ammoniakmaser vom Wasserstoffmaser, der 1960 von Norman Ramsey (Nobelpreis 1989) an der Harvard-Universität entwickelt wurde.
Dank seiner extremen Langzeitstabilität ist der Wasserstoffmaser heute noch für die Radioastronomie von zentraler Bedeutung. Auch beim Satellitennavigationssystem Galileo (das europäische Pendant des amerikanischen GPS) werden Wasserstoffmaser an Bord der Satelliten wie auch an den Bodenstationen eingesetzt. Diese Anwendungen sind zwar wichtig, aber doch sehr spezialisiert und darum wenig bekannt.
Anorganische Festkörpermaser
Nach ersten Erfolgen im Bereich der Gasmaser, verlagerte sich die Forschung auf die einfacheren Festkörpermaser. Allerdings müssen sie auf die Temperatur des kostspieligen, flüssigen Heliums gekühlt werden, um einen rauscharmen und kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten. Besonders spektakulär war der Einsatz von Rubinmasern zum Empfang der Signale der beiden Voyager-Raumsonden. Sie übermittelten zwischen 1977 und 1989 hochauflösende Bilder der Planeten Jupiter, Saturn, Uranus und Neptun. Voyager 2 ist übrigens heute noch aktiv und hat sich bis auf 17 Milliarden Kilometer von der Erde entfernt; seine Signale werden dank Maserverstärkung weiterhin empfangen.
Die mit konventionellen Bausteinen erzielten Fortschritte in der Mikrowellentechnik machten aber den Festkörpermaser zunehmend obsolet. Dies könnte sich nun durch einen selbst bei Raumtemperatur rauscharm und kontinuierlich arbeitenden Maser ändern. Er wurde an der Universität des Saarlandes in Zusammenarbeit mit britischen Wissenschaftlern in London entwickelt. Sein Herzstück ist ein synthetischer Diamant der eine genau dosierte Menge Stickstoffatome enthält. Aufgrund der unterschiedlichen Grösse der Kohlenstoff- und Stickstoffatome bleibt neben jedem Stickstoffatom eine Leerstelle. Die Kombination Stickstoffatom-Leerstelle wird als NV-Zentrum bezeichnet; sie verleiht dem Diamanten eine violette Farbe.
Um den Masereffekt auszulösen muss ein solcher Diamant in einen Kupfer-Hohlraum eingebaut und in ein starkes Magnetfeld gebracht werden. Mikrowellen entstehen, wenn er mit grünem Laserlicht bestrahlt wird, das die NV-Zentren anregt. Ein solcher Maser wurde im Laboratorium zehn Stunden lang ununterbrochen in Betrieb gehalten, ohne dass er sich ungebührlich erhitzte. Dies ist der hohen Wärmeleitfähigkeit von Diamant zu verdanken. Praktische Anwendungen sind in der Medizin, Kommunikationstechnik, Sensorik und Quantentechnologie absehbar.
