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Freitag, 20.01.2017
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Licht misst Nano-Oszillator

Erste hochgenaue Messmethode für Nanosensoren auf optischer Basis entwickelt

Ein Wissenschaftlerteam hat erstmals optische Methoden auf nanomechanische Objekte angewendet und damit ein erstes genaues Messverfahren für mechanische Nanobauteile, so genannte Oszillatoren, hergestellt. Das Verfahren ist so sensibel, dass es sogar die Brownsche Molekularbewegung registriert. Wie die Forscher jetzt in „Nature Physics“ berichten, könnte dies die Anwendungsmöglichkeiten nanomechanischer Bauelemente deutlich erweitern.
Schema des Experiments

Schema des Experiments

Neue Fertigungstechniken ermöglichen es, mechanische Bauelemente auf Siliziumchips herzustellen, die nur noch Nanometer (ein Millionstel mm) groß sind. Ihre Anwendung ist allerdings noch dadurch eingeschränkt, dass keine ausreichend genauen Messverfahren für diese winzigen Bauteile zur Verfügung stehen. In den vergangenen zehn Jahren wurde der Entwicklung empfindlicher Auslesetechniken für immer kleinere und dadurch sensitivere Oszillatoren eine hohe Aufmerksamkeit geschenkt. Optische Methoden erreichten hierbei die besten Werte, waren aber auf Objekte größer als die Wellenlänge beschränkt. Für nanoskalige Objekte anwendbare, elektronische Methoden erreichten bisher nur eingeschränkte Präzision.

Physiker um Professor Tobias Kippenberg vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Professor Jörg Kotthaus, Professor an der LMU München, haben jetzt erstmals erfolgreich optische Methoden auf nanoskalige Oszillatoren angewandt. Dies ist so ohne weiteres nicht möglich, da es, sobald die Objekte kleiner als die Wellenlänge des Lichtes sind, zu Beugungsverlusten kommt. Im vorliegenden Experiment umgehen die Forscher dieses Problem dadurch, dass sie im optischen Nahfeld arbeiten. Schlüsselbaustein ist ein zylindrischer Resonator aus Glas mit einem Durchmesser von rund 50 Mikrometern. Dieses Mikrotoroid kann Licht speichern, wenn dessen Wellenlänge hineinpasst, das heißt in einem ganzzahligen Verhältnis zum optischen Umfang des Resonators steht.

„Leckendes“ Licht als Messsonde


Ein kleiner Teil des gespeicherten Lichts, das so genannte Nahfeld, "leckt" aus dem Resonator heraus und dient als Messsonde für die Nanooszillatoren - eine Anordnung parallel gespannter Siliziumnitrid- Saiten, die typischerweise 100 Nanometer mal 500 Nanometer dick und 15 bis 40 Mikrometer lang sind. Bringt man die Nanoszillatoren in das Nahfeld, das sich einige Hundert Nanometer weit von der Oberfläche der Toroide erstreckt, so können sie mit dem Mikrotoroid wechselwirken. Die Nanooszillatoren wirken dabei auf das optische Nahfeld wie ein Dielektrikum und verändern lokal den Brechungsindex. Dies führt wiederum zu einer Verschiebung des optischen Umfangs und damit der Resonanzfrequenzen des Mikrotoroids.


Messung registriert sogar Brownsche Molekularbewegung


Die Verschiebung der optischen Resonanzen durch die Nanooszillatoren ist hierbei so groß, dass allein deren Brownsche Bewegung einen starken, deutlich messbaren Einfluss hat und die Bewegung der Saiten mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden kann. Die dabei erreichte Empfindlichkeit für
Abstandsänderungen ist von der gleichen Größenordnung wie die quantenmechanisch bedingten Fluktuationen, die man für nanomechanische Oszillatoren beim absoluten Temperaturnullpunkt erwartet und welche dem sogenannten Standard- Quantenlimit für Abstandsmessungen entsprechen.

Die hohe Empfindlichkeit auf die Bewegung nanoskaliger Objekte sei allerdings nur ein Aspekt des neuen Verfahrens, betont Georg Anetsberger, der in der Gruppe von Prof. Kippenberg promoviert. Ebenso wichtig sei der erstmalige Nachweis, dass auch nanoskalige Objekte durch die Kraft von Photonen, den Strahlungsdruck, direkt beeinflusst, z.B. gekühlt in Schwingung versetzt werden können. "Wir beobachten, dass die Dipolkraft des optischen Nahfelds zu einer dynamischen Rückwirkung führt, welche die Nanosaiten zu kohärenten laserähnlichen Schwingungen anregt."

Die hier verwendete Methode lässt sich praktisch auf alle nanoskaligen mechanischen Oszillatoren anwenden, was deren Einsatz als hochempfindliche Sensoren, weiter verbessern könnte. Für Kippenberg zeigt sich daran wieder einmal die Vielseitigkeit der Mikrotoroide, die seit einigen Jahren im Zentrum seiner Forschung stehen. "Wir haben hier eine experimentelle Plattform entwickelt, die die Anwendungsmöglichkeiten nanomechanischer Bauelemente deutlich erweitern könnte. Zudem bietet sie eine Schnittstelle, an der Photonen und Phononen so optimiert miteinander wechselwirken, dass quantenmechanische Effekte bei Raumtemperatur messbar werden könnten."
(Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 12.10.2009 - NPO)
 
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