imported>AxelHH: /* Natürliche Maser */

2026-03-20T19:25:54Z

Natürliche Maser

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{{Begriffsklärungshinweis}}

Ein '''Maser''' [{{IPA|ˈmɛɪzər}}, {{IPA|ˈmeːzər}}, {{IPA|ˈmaːzər}}, {{IPA|ˈmɛɪ̯zɐ}}] ([[Akronym]] für {{enS|'''m'''icrowave '''a'''mplification by '''s'''timulated '''e'''mission of '''r'''adiation|de=Mikrowellenverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung}}) ist ein [[Laser]] im [[Mikrowellen]]<nowiki />bereich.

== Grundlagen ==
Der erste Maser entstand vor dem [[Laser]]. Letzterer wurde erst durch eine Verkürzung der Wellenlänge der verwendeten Strahlung erreicht. Anfangs sprach man deshalb auch von einem ''optical maser'' (optischer Maser).
[[Datei:Diagram_of_ruby_maser_microwave_amplifier.png|gerahmt|zentriert]]

Ein Maser erzeugt [[Kohärenz (Physik)|kohärente]] [[elektromagnetische Welle]]n, die heutzutage einen Frequenzbereich von 105 [[Hertz (Einheit)|Hz]] bis 1011 Hz (entsprechend 100 kHz bis 100 GHz) umfassen, entsprechend einem Wellenlängenbereich von Kilometern bis Millimetern. Die kleineren Wellenlängen sind mit [[Molekülschwingung]]en oder magnetischen Dipolübergängen in Atomen realisierbar.

Grundlage ist die [[stimulierte Emission]] im Zusammenhang mit einer [[Besetzungsinversion]]. Letztere bedeutet, dass mehr [[Atom]]e (deren Elektronen-Energieniveaus) oder [[Molekül]]e (deren Schwingungs-Energieniveaus) eines aktiven Mediums im oberen angeregten Energiezustand des betreffenden Strahlungsübergangs als im unteren Energiezustand sein müssen. Die Inversion ist eine Abweichung vom thermischen Gleichgewicht und muss durch geeignete Energiezufuhr, auch ''Pumpen'' genannt, sowie oft durch eine Leerung der unteren Energieniveaus, z. B. durch Aussortieren der Moleküle mit niedrigen Energieniveaus, erzeugt werden. Wichtiger Bestandteil eines Masers ist ein auf die Maserfrequenz abgestimmter [[Resonator]] (meist ein Hohlraumresonator).

Das Hauptproblem beim Bau von Labormasern ist die Erzeugung der Besetzungsinversion. Die Grundidee des Masers (und auch des Lasers) wurde bereits 1951 von dem amerikanischen Physiker [[Charles H. Townes]] erkannt; zusammen mit seinem Studenten [[James P. Gordon]] und dem [[Post-Doc]] [[Herbert Zeiger]] entwickelte er dann 1953 einen [[Ammoniak]]-Maser. Den Anstoß für die Entwicklung bildete das Bestreben, möglichst [[Rauschen (Physik)|rauscharme]] [[Verstärker (Elektrotechnik)|Verstärker]] zu bauen; bis dahin gebräuchliche Verstärker wiesen aufgrund der thermischen Bewegung der Ladungsträger ein erhebliches Rauschen auf. Für den Maserübergang wird eine bestimmte Schwingung des Ammoniakmoleküls mit einer Wellenlänge von 12,7 Millimeter genutzt, bei der das Stickstoffatom durch die von den drei Wasserstoffatomen aufgespannte Ebene hindurchschwingt. Unabhängig von Townes hatte auch [[Joseph Weber (Physiker)|Joseph Weber]] Anfang der 1950er Jahre ähnliche Ideen.

Für die Erzeugung der Besetzungsinversion wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Kräfte, die auf freie Atome oder Moleküle in inhomogenen elektrischen Feldern wirken, vom [[Elektrisches Dipolmoment|Dipolmoment]] der Teilchen abhängig sind: ein Molekülstrahl tritt hierzu durch eine Düse in eine Vakuumkammer ein und wird dort durch ein inhomogenes Feld so abgelenkt und sortiert, dass nur noch diejenigen Moleküle, die sich im gewünschten oberen Energieniveau befinden, den anschließenden [[Hohlraumresonator]] erreichen, der auf die Übergangsfrequenz der Moleküle abgestimmt ist. (Anmerkung: solche Mikrowellen-Resonatoren sind Hohlräume mit Metallwänden, deren Abmessungen mit der Wellenlänge der Strahlung vergleichbar sind.) Im Hohlraumresonator ist nun spontane und stimulierte Emission möglich – es bildet sich eine stehende elektromagnetische Welle aus. Ein Teil der Strahlung verlässt den Resonator und stellt die Ausgangsstrahlung des Masers. Der Rest verbleibt durch Reflexion im Hohlraum, so dass dort durch stimulierte Emission eine weitere, phasensynchrone Mikrowellenverstärkung stattfindet. Wird eine ausreichende Menge angeregter Atome in den Resonator gebracht, so kann dieses System nicht nur eine eingekoppelte Welle verstärken, sondern auch als Mikrowellenoszillator arbeiten. Damit war der erste Maser geschaffen.

1964 erhielt Townes zusammen mit den beiden sowjetischen Physikern [[Nikolai Gennadijewitsch Bassow]] und [[Alexander Michailowitsch Prochorow]], die unabhängig von ihm die theoretischen Grundlagen für das Maser- und Laserprinzip geschaffen hatten, den Nobelpreis für Physik.

Ammoniak-Maser waren auch das Herzstück der allerersten Atomuhren (Ammoniakmoleküluhren).

== Wasserstoff-Maser ==

[[Datei:Hydrogen maser.jpg|mini|Ein Wasserstoff-Maser.]]
Der [[Wasserstoff]]-Maser wurde im Jahr 1960 von dem amerikanischen Physiker [[Norman Ramsey]] und seinen Mitarbeitern entwickelt; im Jahr 1989 erhielt Ramsey für seine Arbeiten den Nobelpreis für Physik. Bei ihm wird als aktiver Maserübergang die [[Hyperfeinstruktur]] des atomaren Wasserstoffs ausgenutzt. Zum [[Spin]] des Atomkerns – in diesem Fall aus einem einzelnen [[Proton]] bestehend – kann sich das Hüllen[[elektron]] parallel oder antiparallel ausrichten. Zwischen diesen beiden Möglichkeiten besteht eine äußerst geringe Energiedifferenz von etwa 10−5 [[Elektronenvolt|eV]], die einer Frequenz von 1,42 [[Gigahertz]] entspricht. Dieser Übergang ist auch aus der [[Radioastronomie]] als [[HI-Linie|21-cm-Linie]] als Nachweis für interstellaren Wasserstoff bekannt. Da in den Spiralarmen unserer Milchstraße große Mengen Wasserstoff vorhanden sind, trug diese Spektrallinie wesentlich zur Aufklärung ihrer Struktur bei.

Auch bei diesem Gasmaser wird die Besetzungsumkehr durch Atomstrahlmethoden in inhomogenen Feldern (Zustands-Selektor) realisiert. Die angeregten, freien Wasserstoffatome gelangen dann in eine mit Teflon ausgekleidete „Speicherkugel“ aus Quarz. Die Speicherkammer ist von einem Mikrowellenhohlraum umgeben, der resonant auf die Frequenz des Übergangs zwischen den beiden Hyperfeinstruktur-Zuständen abgestimmt ist. Genau diese Frequenz wird von einem Mikrowellensender erzeugt. Die Strahlungsintensität der Mikrowellen wird durch stimulierte Emission verstärkt.

Wasserstoffmaser können über Jahre hinweg sehr stabil arbeiten. Die Lebensdauer der angeregten Zustände beträgt etwa eine Sekunde, dies hat eine sehr große Frequenzgenauigkeit des Masers zur Folge; die Abweichung beträgt nur 1 Hz. Wasserstoffmaser dienen daher als hochgenaue [[Frequenznormal]]e in Laboratorien und in [[Atomuhr]]en. Ihre ausgezeichnete Frequenzstabilität erlaubt die Überprüfung von Aussagen der Allgemeinen Relativitätstheorie, bei denen winzige Zeitdifferenzen die entscheidende Rolle spielen. Wasserstoff-Maser werden in der Radioastronomie für die [[Very Long Baseline Interferometry|Langbasisinterferometrie]] genutzt, bei der es auf eine zeitgenaue Aufzeichnung von Empfangssignalen verschiedener, weit entfernt voneinander betriebener Teleskope ankommt. Auch bei der Auswertung von Radarmessungen zur Bestimmung der [[Kontinentaldrift]] oder [[Entfernungsmessung#Laufzeitmessung|astronomischen Entfernungsmessungen]], bei denen sehr kleine Laufzeitunterschiede gemessen werden müssen, sind die genauen Zeitnormale der Wasserstoffmaser nicht mehr wegzudenken.

== Weitere Maser ==

Die Idee für einen Festkörper-Maser hatte [[Nicolaas Bloembergen]] 1956, die erste Realisierung gelang Derrick Scovil noch im selben Jahr.<ref>Jeff Hecht: ''Beam: the race to make the laser'', S. 31f (engl.)</ref> 1957 demonstrierte dann [[Chihiro Kikuchi]] in [[Willow Run Laboratories|Willow Run]] den ersten '''Rubin-Maser'''.<ref>Sean F. Johnston: ''Holographic Visions.'' Oxford University Press, Oxford, New York 2006, S. 170.</ref> Er war Ausgangspunkt für Überlegungen, das Mineral [[Rubin]] als aktives Medium für Laser zu verwenden. Während [[Arthur L. Schawlow]] jedoch davon ausging, dass Rubin aufgrund seiner optischen Eigenschaften nicht als laseraktives Medium geeignet sei, verfolgte [[Theodore Maiman]] die Idee weiter und realisierte mit dem [[Rubin-Laser]] im Mai 1960 die erste Laserstrahlquelle.

Zu den neueren Entwicklungen gehört der [[Rydberg-Zustand|Rydberg]]-Maser. Bei ihm werden hinsichtlich ihrer Elektronenstruktur [[Wasserstoffähnliches Ion|wasserstoffähnliche Atome]] (nur ein einzelnes [[Valenzelektron]] in der äußersten Schale, Beispiel: [[Rubidium]]) als aktives Material genutzt. Mit einem frequenzveränderlichen Farbstoff-Laser lassen sich diese einzelnen Außenelektronen auf sehr hohe, langlebige Energieniveaus nahe der Ionisationsgrenze pumpen. Das Herzstück des Masers ist ein auf die Temperatur flüssigen Heliums gekühlter zylindrischer Resonator, durch den der Strahl hochangeregter Atome geschickt wird. Maser-Oszillationen mit nur wenigen Kammeratomen können hier erreicht werden; im Extremfall befindet sich nur noch ein einziges angeregtes Atom in der Kammer.

Dieser Fall wird beim „Ein-Atom-Maser“ realisiert. Dabei handelt es sich um eine nichtklassische Strahlungsquelle, bei der die ausgesandten Mikrowellen den Gesetzen der [[Quantenmechanik]] gehorchen. (Anmerkung: Ein gewöhnlicher Maser nutzt zwar einerseits zur Verstärkung seiner Strahlung die Tatsache, dass es in Atomen diskrete, also quantisierte Energieniveaus gibt. Andererseits verhält sich das austretende Strahlungsfeld, da es von mehreren [[Photon]]en statistisch erzeugt wird, klassisch, d. h., die Zahl der Photonen im Hohlraum schwankt um einen mittleren Wert. Die nichtklassische Strahlung des Ein-Atom-Masers besteht dagegen aus Photonen, die in einem gleichmäßigen Abstand aus dem Hohlraum kommen.)

Interessant ist diese Eigenschaft vor allem für die Nachrichtenübertragung, so dass sich der Ein-Atom-Maser auch im Forschungsfeld des [[Quantencomputer]]s nutzen lässt, insbesondere bei der Ansteuerung einzelner sowie miteinander korrelierter Ionen, die in speziellen Fallen aufbewahrt werden.

Mit solchen nichtklassischen Strahlungsquellen lassen sich auch der Energieaustausch zwischen Strahlungsfeld und Atom sowie die Eigenschaften reiner Photonenfelder erforschen. In den letzten Jahren hat sich für die frequenzstabilen Maser ein weiteres Forschungsgebiet eröffnet, das in Zusammenhang mit Theorien steht, die Quantenmechanik und [[Gravitation]] zu vereinigen suchen ([[Stringtheorie]], [[Schleifenquantengravitation]]). Eine der zu überprüfenden Aussagen sind zeitliche Veränderungen physikalischer [[Naturkonstante]]n wie beispielsweise der [[Lichtgeschwindigkeit]].

Im Jahr 2012 gelang dem Forscherteam um den Physiker Mark Oxborrow vom britischen National Physical Laboratory in Teddington die Entwicklung eines Masers, der auch bei Raumtemperatur Mikrowellenstrahlung abgibt. Erstmals Verwendung fand hierbei eine Materialkombination von [[Terphenyle|p-Terphenyl]], das mit [[Pentacen]] dotiert wurde. Dieser organische Kristall wird während des Versuches in einen [[Saphir]]-Ring eingelassen. Als Energiequelle dient ein gelber gepulster Farbstofflaser mit einer Wellenlänge von 585 nm. Innerhalb des Mikrowellenresonators wird der organische Kristall mittels TE01δ-Mode angeregt. Die Auskopplung der Mikrowellenstrahlung erfolgt mittels einer magnetischen Kopplungsschleife. Noch ist die Intensität der Ausgangsstrahlung gering und der Frequenzbereich niedrig.<ref>{{Literatur |Autor=Mark Oxborrow, Jonathan D. Breeze, Neil M. Alford |Titel=Room-temperature solid-state maser |Sammelwerk=Nature |Band=488 |Nummer=7411 |Datum=2012-08-16 |Seiten=353–356 |DOI=10.1038/nature11339}}</ref><ref>{{Webarchiv |url=https://www.top-solar-info.de/news/wissenschaft/maser |text=''Maser bei Raumtemperatur'' |wayback=20160828193146 }} top-solar-info.de, 17. August 2012.</ref>

=== Natürliche Maser ===
Maser erscheinen als künstliche Geräte, da die Besetzungsinversion, eine Bedingung für den Betrieb eines Masers, ein Zustand ist, der weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt ist und nur durch technischen Aufwand erreicht werden kann. In den 1960er Jahren wurden mit [[Radioteleskop]]en Objekte im [[Universum|Kosmos]] entdeckt, die natürliche Maserstrahlung aussenden. Die Entdeckung astronomischer Maser revolutionierte viele Erkenntnisse über das Universum. Die frequenzscharfen Mikrowellen-Linien – vor allem die 18-cm-Linie des OH-Moleküls, aber auch die 1,35-cm-Linie des [[Wassermolekül]]s – geben Aufschluss über angeregte molekulare Gase um entstehende [[Stern]]e, über Veränderungen in [[Galaxie]]n sowie über Hüllenprozesse in Roten Riesen und Überriesen. Allerdings sind die Pumpmechanismen dieser natürlichen Maser noch nicht restlos geklärt. In Frage kommen Anregungsprozesse durch Stöße mit interstellarem Staub oder optische Anregung durch die Strahlungsenergie benachbarter Sterne oder Infrarotquellen.

== Anwendungen ==

* '''Wasserstoff-Maser''' werden in Atomuhren verwendet (siehe [[Wasserstoff-Maser-Uhr]]).
* ''[[Global Positioning System|GPS]] Satellit Block IIF'' ist mit einem Wasserstoff-Maser ausgestattet.
* Das [[Galileo (Satellitennavigation)|Galileo]]-Projekt setzt ebenfalls drei Wasserstoff-Maser als Atomzeituhren ein.
* Maser-Technologie findet auch zur rauscharmen und sicheren Kommunikation mit Raumsonden (z. B. Voyager 2) Anwendung (Planetary Radio Astronomy; PRA). Der PRA-Maser kann dabei die sehr schwachen Signale rauscharm bzw. rauschfrei verstärken. In Zukunft werden vorwiegend die praktikableren Raumtemperatur-Maser eingesetzt.<ref>{{Internetquelle |url=https://pro-physik.de/nachrichten/brillante-maser-strahlung |titel=Brillante Maser-Strahlung Festkörper-Maser aus Diamant in Saphirring läuft kontinuierlich bei Raumtemperatur. |abruf=2024-01-21}}</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=J. P. Gordon, H. J. Zeiger, C. H. Townes
|Titel=Molecular Microwave Oscillator and New Hyperfine Structure in the Microwave Spectrum of NH3
|Sammelwerk=Physical Review
|Band=95
|Nummer=1
|Datum=1954-07-01
|Seiten=282–284
|DOI=10.1103/PhysRev.95.282}}
* {{Literatur
|Autor=H. Haken
|Titel=Der Nobelpreis 1964 für den Maser
|Sammelwerk=Physikalische Blätter
|Band=21
|Nummer=3
|Datum=1965
|Seiten=109–114
|DOI=10.1002/phbl.19650210303}}
* {{Literatur
|Autor=Ronald L. Walsworth
|Titel=Applied physics. The maser at 50
|Sammelwerk=Science
|Band=306
|Nummer=5694
|Datum=2004-08-10
|Seiten=236–237
|DOI=10.1126/science.1101354
|PMID=15472067}}
* {{Literatur
|Autor=G. Makhov, C. Kikuchi, J. Lambe, R. W. Terhune
|Titel=Maser Action in Ruby
|Sammelwerk=Physical Review
|Band=109
|Nummer=4
|Datum=1958-02-15
|Seiten=1399–1400
|DOI=10.1103/PhysRev.109.1399}}
* {{Literatur
|Autor=H. M. Goldenberg, D. Kleppner, N. F. Ramsey
|Titel=Atomic Hydrogen Maser
|Sammelwerk=Physical Review Letters
|Band=5
|Nummer=8
|Datum=1960-10-15
|Seiten=361–362
|DOI=10.1103/PhysRevLett.5.361}}
* {{Literatur
|Autor=P. E. Toschek
|Titel=Nobelpreis 1989: Felder, Phasen, Fallen … Atome, Ionen und Elektronen, genau betrachtet
|Sammelwerk=Physikalische Blätter
|Band=45
|Nummer=12
|Datum=1989
|Seiten=465–470
|DOI=10.1002/phbl.19890451204}}
* {{Literatur
|Autor=J. M. Raimond, M. Brune, S. Haroche
|Titel=Manipulating quantum entanglement with atoms and photons in a cavity
|Sammelwerk=Reviews of Modern Physics
|Band=73
|Nummer=3
|Datum=2001-08-28
|Seiten=565–582
|DOI=10.1103/RevModPhys.73.565}}
* Andrew W. Clegg: ''Astrophysical masers.'' Springer, Berlin 1993, ISBN 0-387-56343-1.
* Alan H. Cook: ''Celestial masers.'' Cambridge Univ. Pr., Cambridge 1977, ISBN 0-521-21344-4.
* Manfred Brotherton: ''Maser und Laser – Grundlagen, Funktionsweisen, Anwendungen.'' Umschau Verl., Frankfurt 1967.

== Weblinks ==
{{Commonscat|Masers|Maser}}
* {{Alpha Centauri|124}}

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Spektroskopie]]
[[Kategorie:Atomphysik]]
[[Kategorie:Uhrentechnik]]
[[Kategorie:Laserphysik| ]]

Maser - Versionsgeschichte

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