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Sonntag, 25.09.2016
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Nano-Sensor für Mikrowellen bricht Rekord

Thermischer Sensor ist zehnfach sensibler als bisherige Geräte

Weltrekord: Forscher haben den bisher kleinsten und sensibelsten Mikrowellen-Sensor entwickelt. Das gesamte Gerät ist nur so groß wie eine Blutzelle, kann aber noch winzige Mengen von Mikrowellen-Photonen registrieren. Damit bricht es den Weltrekord für die kleinste Energiedifferenz, die ein thermaler Photonendetektor noch trennen kann. Diese Entdeckung könnte zu ultrasensitiven Kameras führen und bei der Entwicklung von Quantensystemen wie dem Quantencomputer nützlich sein.
Illustration eines supraleitenden Mikrowellen-Detektors

Illustration eines supraleitenden Mikrowellen-Detektors

Mikrowellen oder elektromagnetische Wellen in einem Frequenzbereich von einem bis 300 Gigahertz und werden von uns vorzugsweise genutzt, um unser Essen zu erwärmen. Dabei reagieren die Wassermoleküle auf das schnell wechselnde Mikrowellen-Feld, indem sie hin und herschwingen. Diese Bewegung verursacht die Wärme, die letztlich das Essen oder Getränk heiß werden lässt. Doch es gibt noch viele weitere Anwendungsbeispiele für Mikrowellen wie drahtlose Kommunikationssysteme, Radaranlagen oder künftige Quantencomputer.

Um Mikrowellen zu messen, werden unter anderen thermische Sensoren eingesetzt. Sie registrieren die winzige Zunahme an Wärme und damit Energie, die beim Eintreffen eines Mikrowellen-Photons freigesetzt wird.

Bisher allerdings haben diese Sensoren ein Handicap: „Ein zentrales Problem bei dem Messen von Mikrowellen-Photonen ist die geringe Temperaturerhöhung, welche durch diese ausgelöst wird", erklären Mikko Möttönen von der Universität Aalto in Finnland und seine Kollegen. "Der vorübergehende Temperatur-Ausschlag wird jedoch durch das beim Auslesen der Daten dazukommende Rauschen überdeckt."


"Je kleiner, desto besser"


Möttönen und seine Kollegen haben nun einen supraleitenden Mikrowellen-Sensor konstruiert, der nicht nur sensitiver arbeitet als bisherige Modelle, er ist zudem auch noch winzig klein. Das gesamte Gerät ist nicht größer als eine menschliche Blutzelle und kann selbst winzige Mengen von Mikrowellen-Photonen registrieren.

„Für uns ist die Größe entscheidend. Je kleiner, desto besser", sagt Möttönen. "Mit kleinen Detektoren bekommen wir ein besseres Signal und reduzieren zusätzlich die Kosten für eine Massenproduktion.“

Bauweise und Verstärker entscheidend


Der Mikrowellen-Sensor im Mini-Maßstab – ein Nanobolometer - besteht aus einem Palladium-Gold- Nanodraht, der über regelmäßig auf einer Unterlage angeordnete Aluminium-Inseln führt. Dieses Ensemble wird bis auf wenige hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlt. Bei diesen extrem niedrigen Temperaturen wird das Aluminium supraleitend – es leitet Elektronen ohne Widerstand.

Aufnahme eines Elektronenmikroskops von dem Mikrowellen-Detektor. Das Drahtgeflecht ist gelb und der Rest ist das Aluminium. Die Photonen kommen von links.

Aufnahme eines Elektronenmikroskops von dem Mikrowellen-Detektor. Das Drahtgeflecht ist gelb und der Rest ist das Aluminium. Die Photonen kommen von links.

Treffen nun Mikrowellen-Photonen auf diesen Sensor, führt dies an den Kontaktstellen zwischen Nanodraht und Aluminium zu einer Induktion. Mit Hilfe eines Nanoverstärkers wandeln die Forscher das Mikrowellen-Signal in ein messbares elektrisches Signal um.

Ortung kleinster Energien


Wie erste Tests ergaben, kann das Gerät Mikrowellen-Energiepakete noch bis zu einem einzelnen Zeptojoule hinunter messen. Zum Vergleich: Soviel Energie benötigt man, um eine rote Blutzelle um rund einen Nanometer anzuheben.

„Dadurch werden die Messergebnisse früherer Thermo-Detektoren, um mehr als eine Größenordnung verbessert“, so Möttönen. Die Forscher sind zuversichtlich, dass sich durch dünnere Nanodrähte, ein anderes Drahtmaterial und einen modernen Verstärker mit dieser Methode künftig sogar einzelne Mikrowellen-Photonen nachweisen lassen.

Wie die Forscher erklären, könnte der Mikrowellen-Sensor beispielsweise für ultrasensitive Wärmekameras eingesetzt werden. Er ist aber auch für die Erforschung der Thermodynamik kleinster Systeme nützlich. Solche Quantensysteme haben physikalische Eigenschaften, die nicht in der alltäglichen Welt vorkommen. Um sie zu erforschen, wird ein Gerät benötigt, welches die winzige Energiefreisetzung solcher Systeme messen kann. Der Photonendetektor könnte dabei helfen. (Physical Review Letters, 2016; in press))
(Physical Review Letters, 11.07.2016 - TKR)
 
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