Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenlimitierte Messmethode für Nanosensoren

12.10.2009
Wissenschaftlerteam am Max-Planck-Institut für Quantenoptik gelingt es, optische Methoden auf Nanomechanische Objekte anzuwenden.

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.


Schema des Experiments: Die Nanosaiten (gelb) treten in Wechselwirkung mit dem optischen Nahfeld, das aus dem Toroid-Glasresonator (violett) dringt. Nähert man eine einzelne Saite dem Mikroresonator an, so verringert sich dessen optische Resonanzfrequenz exponentiell.
MPQ

Einen grundsätzlich neuen Ansatz hat jetzt ein Team um Prof. Tobias Kippenberg (Leiter der Nachwuchsgruppe "Laboratory of Photonics and Quantum Measurements" am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und Tenure Track Assistant Professor an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne) und Prof. Jörg Kotthaus (Professor an der LMU München) am MPQ erfolgreich getestet (Nature Physics, Advance Online Publication, DOI: 10.1038/NPHYS1425). Eine Schlüsselrolle darin spielen auf Siliziumchips gewachsene Glaszylinder mit einem Durchmesser von ca. 50 Mikrometern, die in ihrem Innern Licht für geraume Zeit speichern können. Wie die Wissenschaftler zeigten, können Nanooszillatoren mit dem aus dem Toroid dringenden optischen Nahfeld sowohl ausgelesen als auch zu Schwingungen angeregt werden.

Die Genauigkeit dieser Messungen ist nur durch die Quantenfluktuationen des Lichts limitiert. Bereits bei Raumtemperatur werden deshalb Empfindlichkeiten erreicht, die in der Größenodnung des quantenmechanischen Grundzustandsrauschens der Oszillatoren sind, d.h. dem Standard-Quantenlimit entsprechen. Die neue Messmethode ist somit für die Grundlagenforschung von großem Interesse. Aber auch Anwendungen wie der Nachweis einzelner Atome bzw. Ladungen oder auch die Massenspektrometrie können von den Messungen profitieren.

Nanomechanische Oszillatoren sind ideale Kandidaten, um die Quantengrenzen mechanischer Schwingungen experimentell zu testen. Darüber hinaus sind sie die Grundlage für eine Reihe von Präzisionsmessungen und ein fester Bestandteil in Magnetkraft- und Rasterkraftmikroskopen. In den vergangenen 10 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.

Die MPQ und LMU-Physiker 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 wird dieses Problem dadurch umgangen, dass im optischen Nahfeld gearbeitet wird. Schlüsselbaustein ist ein zylindrischer Resonator aus Glas mit einem Durchmesser von ca. 50 Mikrometern. Dieses Mikrotoroid kann Licht speichern, wenn dessen Wellenlänge hineinpasst, d.h. in einem ganzzahligen Verhältnis zum optischen Umfang des Resonators steht. Ein kleiner Teil des gespeicherten Lichts, das sogenannte Nahfeld, "leckt" aus dem Resonator heraus und dient als Messsonde für die Nanooszillatoren (s. Abbildung) - eine Anordnung parallel gespannter Siliziumnitrid- Saiten, die typischerweise 100 Nanometer mal 500 Nanometer dick und 15 bis 40 Mikrometer lang sind. (Nanosaiten und Mikrotoroide wurden in den Reinräumen von Prof. Kotthaus an der LMU und an der ETH Lausanne hergestellt.)

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, d.h. sie verändern lokal den Brechungsindex. Dies führt wiederum zu einer Verschiebung des optischen Umfangs und damit der Resonanzfrequenzen des Mikrotoroids.

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 Prof. 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."

[Olivia Meyer-Streng/Georg Anetsberger]

Originalveröffentlichung:
G. Anetsberger, O. Arcizet, Q. P. Unterreithmeier, R. Rivière, A. Schliesser, E. M.Weig, J. P. Kotthaus und T. J. Kippenberg
Near-field cavity optomechanics with nanomechanical oscillators
Nature Physics, Advance Online Publication, DOI: 10.1038/NPHYS1425
Kontakt:
Prof. Dr. Tobias Kippenberg
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 - 89 / 32905 727
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: tobias.kippenberg@mpq.mpg.de
http://www.mpq.mpg.de/k-lab/
Georg Anetsberger
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 - 89 / 32905 334
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: georg.anetsberger@mpq.mpg.de
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.: +49 - 89 / 32905 213
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/k-lab/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht MADMAX: Ein neues Experiment zur Erforschung der Dunklen Materie
20.10.2017 | Max-Planck-Institut für Physik

nachricht Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung
20.10.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise