14.10.2016

Komplexes Schaukeln

Parametrische Oszillation als Grundlage für kleinere und empfindlichere Schwingungssensoren.

Ein Kind schaukelt auf einer Schaukel, wobei es mit den Beinen Schwung holt. Für Physiker ist das eine einiger­maßen einfache Schwingungs­bewegung, sie nennen sie eine para­metrische Oszillation. Etwas komplizierter wird es, wenn neben dem Kind auch noch die Mutter oder der Vater zugegen ist und zusätz­lichen Schwung verleiht. Jedenfalls kann die Wechsel­wirkung zwischen para­metrischer Oszil­lation und einer zusätzlichen externen Kraft physikalisch kompliziert werden, so dass es schwierig ist, das aus der Schwingungs­bewegung zu berechnen, wie viel Kraft die Mutter oder der Vater aufwendet.

Abb.: Ramasubramanian Chitra, Anina Leuch, Oded Zilberberg, Luca Papariello und Alexander Eichler (von links nach rechts) vor Ihrem Experiment mit einer Gitarrensaite. (Bild: ETHZ / A. Eichler)

Einem inter­disziplinären Team von theo­retischen Physikern und Experimental­physikern der ETH Zürich ist genau diese Berechnung nun gelungen. Erstmals beschreiben die Forschenden, wie man eine para­metrische Oszil­lation – das Schwingen mit dem Kraft­eintrag des Kinds – nutzen kann, um damit einen Kraft­eintrag von aussen – Stoßen des Eltern­teils – zu messen. Ihre Erkenntnis lässt sich in Sensoren anwenden. Die Wissen­schaftler haben das darunter­liegende Prinzip zum Patent angemeldet. „Bereits heute fußen viele Sensoren auf Oszillationen“, erklärt Oded Zilber­berg, Pro­fessor am Institut für theo­retische Physik. „Man kann zum Beispiel mit kleinen Resona­toren Kräfte, Drücke, Massen, Schall oder Tempe­raturen messen. Auch Rasterkraft­mikroskope bauen darauf auf.“ Für diese Anwendungen – oft im Mikro­technik­bereich – werden heute allerdings weniger kompli­zierte, har­monische Schwingungen benutzt.

Für solche Messungen kompli­ziertere Schwingungen zu verwenden, wie es Zilber­berg und seine Kollegen vorschlagen, stellt letztlich einen Paradigmen­wechsel dar. Sensoren müssten dazu anders konstruiert werden. Besonders für sehr kleine Sensoren bringe das neue Prinzip Vorteile, sagt der Physiker. Es sei damit möglich, extrem kleine und dennoch genauere Sensoren zu bauen, weil sich beim neuen Prinzip das Mess­signal besser vom Hinter­grundrauschen abhebt als bei bis­herigen Methoden.

Entdeckt haben die Wissen­schaftler das neue Prinzip, als sie in einem Quanten­physik­experiment mit Rubidium-Atomen para­metrische Oszil­lationen untersuchten. Später erforschten sie den Effekt mit einer para­metrisch oszil­lierenden Gitarren­saite. Auf diese Saiten übten die Wissen­schaftler von aussen eine pulsierende Kraft aus, wobei sie die Frequenz dieses Pulses konti­nuierlich variierten. Wie die Forschenden beobachteten, veränderte sich die Amplitude der Schwingung der Saite nicht voll­ständig konti­nuierlich, sondern sie änderte bei einer bestimmten Frequenz sprunghaft. Die Wissen­schaftler konnten zeigen, dass sich von dieser „Sprung­frequenz“ direkt auf die Stärke der von aussen ausgeübten Kraft schliessen lässt.

Zilberberg und seine Kollegen suchen nun Industrie­partner, welche helfen, hoch­auflösende Sensoren zu entwickeln. Und selbst in der Computer­technik könnte das neue Prinzip zur Anwendung kommen. Zilberberg: „In der Frühphase des Computer­zeitalters gab es Computer­speicher, die auf Oszil­latoren basierten, soge­nannte Parametrons. Später verlor die Computer­industrie das Interesse an ihnen. Doch unsere Entdeckung könnte dieses Forschungs­feld zu neuem Leben erwecken.“

ETHZ / JOL

Content Ad

Double-Pass AOM Clusters

Double-Pass AOM Clusters

Versatile opto-mechanical units that enable dynamic frequency control and amplitude modulation of laser light with high bandwidth, that can be combined with beam splitters, monitor diodes, shutters and other multicube™ components.

Anbieter des Monats

Edmund Optics GmbH

Edmund Optics GmbH

With over 80 years of experience, Edmund Optics® is a trusted provider of high-quality optical components and solutions, serving a variety of markets including Life Sciences, Biomedical, Industrial Inspection, Semiconductor, and R&D. The company employs over 1.300 people across 19 global locations and continues to grow.

Meist gelesen

Themen