Nanoteilchen mit Lasern ordnen

Das Team um Wolfgang Lechner, Steven Habraken und Peter Zoller hat viel Erfahrung mit der optischen Manipulation von Materie, seien es neutrale Atome, Ionen oder auch größere Objekte.

Nun haben sie einen Vorschlag veröffentlicht, wie sich optomechanische Methoden für Nanoengineering nutzen lassen. Dabei arbeiten die Theoretiker aus Innsbruck eng mit Wiener Physikern um Markus Aspelmeyer zusammen, die mit Experimenten an makroskopischen Objekten die Grenze zwischen Quantenphysik und klassischer Physik ausloten.

Optische Reibungskräfte

Die Nanoteilchen bestehen aus zwei dielektrischen Siliziumdioxid-Teilchen („Glaskügelchen“), die über ein DNA-Molekül miteinander verbunden werden. So entsteht ein Objekt, das wie eine winzige Hantel aussieht. Mit dieser DNA-Technik werden schon heute, komplexe Nanostrukturen hergestellt. Die österreichischen Physiker gehen aber einen Schritt weiter: Sie fangen die Nanoteilchen in einer Vakuumkammer und platzieren sie in einem optischen Resonator. Dort sorgen Laserstrahlen dafür, dass sich die Teilchen nur in einer Ebene bewegen können. Das Laserlicht hat dabei den gleichen Effekt wie Reibung und führt dazu, dass sich die Nanoteilchen in eine bestimmte Richtung orientieren.
Ordnung schaffen

„Die Nanoteilchen lassen sich mit dem Laserlicht in eine Richtung orientieren“, erzählt Wolfgang Lechner. „Sind die Nanoteilchen mit einer elektrischen Ladung versehen, ordnen sie sich zusätzlich in einer regelmäßigen Struktur an.“ So bildet sich im Resonator ein Kristall, der aber gleichzeitig auch die Eigenschaften einer Flüssigkeit hat. „Diese Struktur verhält sich wie ein Flüssigkristall, ähnlich jenen in LCD-Displays“, sagt Lechner. „Voraussetzung ist, dass sich die Nanoteilchen energetisch im Ungleichgewicht befinden. Es wird ständig Energie zugeführt und wieder abgeführt. Gemeinsam mit dem Laserlicht zwingt das die Teilchen in ein geordnetes System“, betont Lechner. Schon in Kürze wollen die Wiener Experimentalphysiker um Markus Aspelmeyer dieses Konzept im Labor umsetzen.

Herstellung von Medikamenten

„Es geht bei dieser Arbeit darum, Nanostrukturen zu verwenden und deren interne Organisation mit Laserlicht gezielt zu beeinflussen“, ergänzt Peter Zoller. Langfristig könnten ähnliche Ideen in der Produktion von Medikamenten nützlich sein. Dort werden Wirkstoffe zunächst in Lösungen hergestellt und dann kristallisiert, um später als Tabletten oder in Pulverform eingenommen zu werden. Für die Wirkung des Medikaments ist es dabei mit entscheidend, wie die Moleküle sich im Kristall anordnen. Hier könnte das neue Verfahren helfen, Ordnung zu schaffen. Auch ließe sich mit dem vorgeschlagenen Konzept die DNA zwischen den Glaskügelchen sehr genau vermessen.

Die Arbeit ist im Fachmagazin Physical Review Letters erschienen. Unterstützt wurden die Forscher vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der EU und der Tiroler Industrie.

Rückfragehinweis:

Dr. Wolfgang Lechner
Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI)
Österreichische Akademie der Wissenschaften (ÖAW)
Tel.: +43 512 507 4734
E-Mail: w.lechner@uibk.ac.at

Dr. Christian Flatz
Büro für Öffentlichkeitsarbeit
Universität Innsbruck
Tel.: +43 512 507-32022
Mobil: +43 676 872532022
E-Mail: christian.flatz@uibk.ac.at
Weitere Informationen:
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.143604
– Cavity Optomechanics of Levitated Nanodumbbells: Nonequilibrium Phases and Self-Assembly. W. Lechner, S. J. M. Habraken, N. Kiesel, M. Aspelmeyer und P. Zoller. Phys. Rev. Lett. 110, 143604 (2013)
http://www.uibk.ac.at/th-physik/qo/
– Arbeitsgruppe „Quantum Optics and Quantum Information“