01.07.2022

Exakte Position schwebender Nanoteilchen

Gespiegeltes Abbild verbessert Genauigkeit von Positionsbestimmungen.

Der Einsatz schwebender Nanoteilchen als Sensoren war bisher durch die Präzision der Positions­messungen beschränkt. Nun haben Forschende um Tracy Northup an der Universität Innsbruck eine neue Methode präsentiert, bei der für die Positions­bestimmung mittels optischer Inter­ferometrie das Licht des Teilchens von einem Spiegel reflektiert wird. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für den Bau von Sensoren.

Abb.: In einer Ionenfalle wird ein einzelnes Nanoteilchen zum Schweben...
Abb.: In einer Ionenfalle wird ein einzelnes Nanoteilchen zum Schweben gebracht. Das kleine Bild zeigt die optische Interferenz zwischen dem Teilchen und seinem Spiegelbild. (Bild: Quantum Interface Group, U. Innsbruck)

Schwebende Nano­teilchen könnten sogar zur Überprüfung der Grundlagen der Quantenphysik dienen. Solche Anwendungen erfordern jedoch eine sehr präzise Positions­messung. Die Forschenden konnten nun die Position eines schwebenden Nano­teilchens effizienter bestimmen. „Normaler­weise messen wir die Position mittels optischer Inter­ferometrie. Bei der neuen Technik wird ein Teil des von einem Nanoteilchen gestreuten Lichts mit dem Licht eines Referenz­lasers verglichen“, sagt Doktorand Lorenzo Dania. „Ein Laserstrahl hat jedoch eine ganz andere Form als die von einem Nanoteilchen emittierte Lichtwelle, die so genannte Dipol­strahlung.“ Dieser Unterschied beschränkt die Mess­genauigkeit der aktuellen Methode.

Die von Tracy Northup und ihrem Team vorgeführte Methode umgeht diese Einschränkung, indem sie den Laserstrahl durch das von einem Spiegel reflektierte Licht des Teilchens ersetzt. Diese Technik baut auf einer Methode zur Beo­bachtung von Barium-Ionen auf, die in den vergangenen Jahren von Rainer Blatt und seinem Team ebenfalls an der Universität Innsbruck entwickelt wurde. Im letzten Jahr haben die Forschenden der beiden Teams vorge­schlagen, diese Methode zu erweitern und auf Nanoteilchen anzuwenden.

Mit einem in einer elektro­magnetischen Falle schwebenden Nano­teilchen konnten sie nun zeigen, dass diese Methode andere, dem Stand der Technik entsprechende Nachweis­verfahren übertrifft. Das Ergebnis eröffnet neue Möglichkeiten, schwebende Teilchen als Sensoren, beispiels­weise zur Messung extrem kleiner Kräfte, einzusetzen und die Bewegung der Teilchen in Bereiche zu kühlen, die von der Quanten­mechanik beschrieben werden.

U. Innsbruck / JOL

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