Chipbasierte Maser

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Anders; Dr. Christoph Zollitsch
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 576444587

Dieses Forschungsprojekt soll die Prinzipien und Realisierbarkeit eines chipbasierten Festkörpermasers als neuartige Frequenz- und Zeitreferenz im Mikrowellenbereich untersuchen. Aufbauend auf Fortschritte bei Raumtemperaturmasern und integrierten Schaltkreistechnologien, untersucht das Projekt die physikalischen Grenzen und Mechanismen, die eine Miniaturisierung von Masern unter Beibehaltung ihrer außergewöhnlichen Frequenzstabilität und spektralen Reinheit ermöglichen. Maser –Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation– dienen als hochpräzise Frequenzstandards. Ihr Einsatz ist jedoch durch Anforderungen wie Ultrahochvakuum oder Kryotechnik auf große Laborumgebungen beschränkt. Die Demonstration von Festkörpermasern, die unter Umgebungsbedingungen arbeiten, wie Pentacen-dotiertem p-Terphenyl und negativ geladenen Stickstoff-Fehlstellen (NV⁻)-Zentren in Diamanten, hat die Forschung neu belebt und neue Wege für skalierbare Implementierungen aufgezeigt. Zentral steht die Erforschung der Integration maseraktiver Medien mit elektronisch verstärkten Mikrowellenresonatoren, die mit Standard-Halbleiterprozessen hergestellt werden. Dazu gehört die Untersuchung wie spannungsgesteuerte Oszillatoren (VCOs), welche nicht als Oszillatoren, sondern als elektronisch verstärkte passive Resonatoren fungieren können – ein Bereich, der im Kontext der spinbasierten Mikrowellenverstärkung noch systematisch zu charakterisieren ist. Anfänglich wird ein gepulster Maser bei Radiofrequenzen untersucht, bestehend aus einem gut erforschten Pentacen-System in Kombination mit bestehenden chipintegrierten VCOs und elektronisch verstärkten Resonatoren. Diese erste Phase dient der Aufklärung des Zusammenspiels von Spins und der elektromagnetischen Antwort kompakter LC-Schaltungen im Maser Schwellenbereich. Die Erkenntnisse fließen in die theoretische und experimentelle Untersuchung von Resonatorschaltungen mit hohem Gütefaktor im GHz-Bereich ein, wobei der Schwerpunkt auf Verlustkompensation, thermischer Stabilität und Rauscheigenschaften liegt. In der letzten Phase wird Masing auf Basis von NV- Zentren bei Mikrowellenfrequenzen untersucht. Der Schwerpunkt liegt dabei auf dem Verständnis von Spindynamik, Magnetfeldorientierung, optischem Pumpen und Resonatorkopplung in einer miniaturisierten Geometrie. Fragen der Modeneingrenzung, Kooperativität und Spin-Resonator-Kopplungsstärke werden bei der Beurteilung der Realisierbarkeit von chipbasierten Masing von zentraler Bedeutung sein. Durch die Kombination komplementärer Expertisen in Maserphysik und integriertem Schaltungsdesign bietet dieses Projekt eine einzigartige Gelegenheit, das grundlegende Verständnis von Festkörper-Masersystemen zu erweitern und die physikalischen Prinzipien aufzudecken, die für eine Miniaturisierung erforderlich sind. Die erarbeiteten neuen Erkenntnisse, experimentelle Methoden und theoretische Modelle werden zum breiteren Feld der Quantentechnologien und der Frequenzmesstechnik beitragen.

• DFG-Verfahren: Neue Geräte für die Forschung
• Mitverantwortliche: Professor Christopher W.M. Kay, Ph.D.; Dr. Michal Kern