Hochempfindliche Mikrowellenempfänger nutzen Quanteneffekte in Diamanten
Die unsichtbare Mikrowellenstrahlung ist allgegenwärtig – ob in der Funk-Kommunikation (WLAN, Mobilfunk, Satellitenrundfunk) oder in der Navigation mit GPS-Signalen und Radar. Im Gegensatz zu sichtbarem Licht gibt es allerdings noch keine Detektoren, die einzelne Teilchen dieser Strahlung – die Mikrowellenphotonen – nachweisen können. Ebenso ist die Analyse von sehr hochfrequenten Mikrowellensignalen jenseits von etwa 15 GHz immer noch sehr kostspieliger Technik vorbehalten. Diese Signale werden etwa in Richtfunkstrecken eingesetzt, die abgelegene Orte und Mobilfunkmasten jenseits des Glasfaserausbaus mit schnellem Internet versorgen. Bisherige Mikrowellenempfänger basieren auf Halbleiterelektronik und Antennen, die sich nur begrenzt weiter miniaturisieren lassen. Die unsichtbare Mikrowellenstrahlung ist allgegenwärtig – ob in der Funk-Kommunikation (WLAN, Mobilfunk, Satellitenrundfunk) oder in der Navigation mit GPS-Signalen und Radar. Im Gegensatz zu sichtbarem Licht gibt es allerdings noch keine Detektoren, die einzelne Teilchen dieser Strahlung – die Mikrowellenphotonen – nachweisen können. Ebenso ist die Analyse von sehr hochfrequenten Mikrowellensignalen jenseits von etwa 15 GHz immer noch sehr kostspieliger Technik vorbehalten. Diese Signale werden etwa in Richtfunkstrecken eingesetzt, die abgelegene Orte und Mobilfunkmasten jenseits des Glasfaserausbaus mit schnellem Internet versorgen. Bisherige Mikrowellenempfänger basieren auf Halbleiterelektronik und Antennen, die sich nur begrenzt weiter miniaturisieren lassen.
Im Projekt MICROSENS „Empfindliche Mikrowellendetektion durch Diamant-Farbzentren“ soll eine neue Generation von Mikrowellenempfängern aus Diamant entwickelt werden. Die Kernidee ist, Stickstoffeinschlüsse in Diamanten – sogenannte Farbzentren – als Empfänger zu verwenden. Diese kommen in natürlichen sowie in künstlich erzeugten Diamanten zufällig vor, können Mikrowellensignale absorbieren und in optisches Licht umwandeln. Für die Herstellung von miniaturisierten Mikrowellenempfängern werden sie in speziell hergestellten hauchdünnen Diamantschichten gezielt erzeugt. Vorarbeiten der Verbundpartner zeigen, dass die Empfindlichkeit solcher Empfänger bis zum Niveau einzelner Mikrowellenphotonen verbessert werden könnte. Damit wäre sogar abhörsichere Quantenkommunikation über Funk denkbar. Als weitere Anwendungen kommen deutlich bessere, kleinere und günstigere Empfänger für die mobile Kommunikation und Navigation in Frage. Für Medizin und Chemie sind deutlich genauere und billigere NMR und MRT-Spektrometer denkbar, die die Untersuchung einzelner Moleküle ermöglichen und so beispielsweis die Krebsdiagnose verbessern.
In MICROSENS sollen auf Basis dieser Grundlagen hochempfindliche Empfänger für Mikrowellen entwickelt werden. Dazu wird die Universität Leipzig mit dem LSPM Farbzentren in Diamantstrukturen implantieren, die den anderen Partnern als Ausgangsmaterial für die Detektoren dienen. Die TU München wird mit der TU Wien einen möglichst empfindlichen Detektor für einzelne Mikrowellenphotonen entwickeln. Der französische Industriepartner Thales wird mit der Universität Leipzig ein Breitbandspektrometer entwickeln, das beispielsweise alle Funkkanäle zwischen 2 und 20 GHz gleichzeitig empfangen und so die Ausnutzung vorhandener WLAN- und Mobilfunkkanäle entscheidend verbessern könnte. Die Universität Ulm wird die Empfindlichkeitsgrenzen der neuen Empfänger prüfen.
Die Entwicklung neuer hochempfindlicher Mikrowellenempfänger ermöglicht bessere und schnellere mobile Kommunikation, genauere Navigation, genauere medizinische und chemische Analyseverfahren – und das kostengünstiger als derzeitig, da Industriediamanten tatsächlich preiswerter sind als aktuelle Hochfrequenzelektronik. Langfristig ist sogar abhörsichere Funkkommunikation mit einzelnen Mikrowellenquanten möglich.