Nano-Rotoren haben den Dreh raus
Laserlicht misst und manipuliert die Bewegung von Nano-Stäbchen im Vakuum.
Beim Versuch, Quanteneffekte an immer größeren Objekten zu demonstrieren, ist es wichtig, deren Eigenschaften kontrollieren zu können. Ein Forscherteam der Universität Wien, der Tel Aviv University und der Universität Duisburg-Essen hat nun erstmals Silizium-Nanostäbchen so präpariert, dass sie mittels Laserlicht im Vakuum kontrolliert zum Fliegen gebracht werden konnten.
Abb.: Nanorotoren werden durch eine Vakuumkammer katapultiert und durch Laserlicht zwischen zwei Spiegeln manipuliert. (Foto: S. Kuhn, U. Wien)
„Obwohl diese Teilchen zehn Millionen mal kleiner sind und sich über eine Millionen mal schneller drehen als die Rotorblätter eines Hubschraubers, können wir ihre Bewegung nicht nur sichtbar machen, sondern durch intensives Laserlicht sogar manipulieren", sagt Stefan Kuhn von der Uni Wien. Aufgrund der Form der Nano-Rotoren beobachten Kuhn und seine Kollegen bis zu dreimal stärkere Kräfte, als man für runde Teilchen gleicher Masse erwarten würde. Das ist ein wichtiger Faktor im Vergleich zu allen bislang untersuchten Systemen.
Fernando Patolsky und seine Mitarbeiter an der Tel Aviv University stellen die Nanoteilchen her. Dabei ätzen die Forscher aus der Oberfläche eines Silizium-Plättchens einen Wald aus stehenden Stäbchen, deren Dicke rund zweihundert Mal dünner ist als die eines Haares. Ein spezielles Verfahren erzeugt an den Füßen der Stäbchen Sollbruchstellen, an denen sie später gezielt abgebrochen werden können. Das geschieht aber erst im Wiener Quantennanolabor durch intensive Laserlicht-Impulse auf die den Stäbchen abgewandte Rückseite des Plättchens. Die abgelösten Teilchen fliegen in der Vakuumapparatur durch einen optischen Resonator, der infrarotes Laserlicht auf eine Leistung von einigen hundert Watt verstärkt.
Wenn die frei fliegenden und rotierenden Teilchen mit dem Laserlicht innerhalb des Resonators wechselwirken, passiert Folgendes: Zum einen streuen die Nanoteilchen einen Teil des Lichts abhängig von ihrer Position und Orientierung. Dadurch lässt sich die Bewegung jedes einzelnen Teilchens in Echtzeit mit der Auflösung einer Millionstel Sekunde verfolgen. Zum anderen übt das Licht Kräfte auf die Bewegung der Teilchen aus, wodurch deren Geschwindigkeit und Drehung beeinflusst werden können. In Zukunft möchte das Team die optischen Kräfte nutzen, um die Drehbewegung der Nano-Rotoren zu kühlen. „Die Rotation der Teilchen gibt uns neue Freiheitsgrade, um die Teilchen zu kontrollieren“, so Kuhn. „Zusätzlich könnte man unser System als Sensor zur Messung sehr kleiner Kräfte, als Mini-Kreisel oder zur Untersuchung der Thermodynamik an einzelnen Teilchen verwenden.“
UW / RK
