Resonatoren im Doppelpack

Im Arbeitsbereich der Physikerin Eva Weig ist es an der Universität Konstanz gelungen, Nano­säulen so nah aneinander zu bauen, dass sie durch die Verspannung im Boden gekoppelt werden können und miteinander schwingen. Aufgrund dieser Technik sind ganze Felder solcher Reso­natoren denkbar, die wiederum als Sensoren oder Taktgeber eingesetzt werden und in der Quanten­technologie Anwendung finden könnten. 

Die Kopplung von nano­mechanischen Resonatoren ist derzeit ein stark beforschtes Gebiet, da diese in mancher Hinsicht im Kollektiv besser schwingen als allein. Im Gegensatz zu Konstrukt­ionen, bei denen die Kopplung erst durch angelegte Felder aufgebaut werden muss, reicht es beim Resonatoren-Modell der Arbeitsgruppe für Nano­mechanische Systeme, dass die Nanosäulen selbst gewisse Bedingungen erfüllen. Die wichtigste Bedingung ist, dass sie nahe genug neben­einander auf dem Boden verankert sind. Wird eine Nanosäule in Schwingung versetzt, verspannt sich am Boden die Umgebung. Die Verspannung hat eine gewisse Reichweite, so dass die benachbarte Säule sie quasi spürt und sich mit bewegt. „Die Kopplung ist sogar ziemlich stark, wenn man die Säulen nah genug aneinander­stellt“, sagt Eva Weig. 

„Unser System hat den Vorteil, dass damit leicht große Felder mit vielen Säulen gebaut werden können“, sagt Doktorandin Juliane Doster. Da die Schwingungs­amplituden der Säulen so groß sind, dass sie sogar im Mikroskop sichtbar sind, wäre es möglich, direkt zu beobachten, was in solch einem Säulenfeld passiert. Die Arbeits­gruppe hat für ihre Nanosäulen den Halbleiter Gallium­arsenid verwendet. Denkbar sind eigentlich alle Halbleiter. „Man muss nur wissen, wie man die Säulen aus dem Material herausätzen kann“, sagt Doster. 

In die Resonatoren­felder könnten obendrein zusätzliche Funktionen eingebaut werden. „Auch wenn unsere Säulen bislang noch nicht funk­tionalisiert sind, eröffnen unsere Ergebnisse die Perspektive, zukünftig ganze Netzwerke von solchen funk­tionalisierten Nanosäulen zu realisieren“, so Eva Weig. Zum Beispiel könnten damit mehrere Einzel­photonenquellen miteinander synchronisiert werden, was Anwendungen in der Quanten­technologie eröffnet. Eine weitere mögliche Anwendung käme sogar ohne Funk­tionalisierung aus: Gekoppelte Säulenfelder könnten möglicher­weise auch dazu genutzt werden, akustische Signale verlustfrei in einer Art „Einbahn­straße für Schallwellen“ zu leiten.

U. Konstanz / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  J. Doster et al.: Collective dynamics of strain-coupled nanomechanical pillar resonators, Nat. Comm. 10, 5246 (2019); DOI: 10.1038/s41467-019-13309-9
• Arbeitsgruppe für Nanomechanische Systeme (E. Weig), Universität Konstanz