02.08.2017

Sensor misst auf Femtometer genau

Konzept basiert auf der geschickten Kopplung eines Quantenpunkts mit einem Nanodraht.

Die Teams um Richard Warburton und Martino Poggio vom Swiss Nano­­science Institute der Uni­­versität Basel konnten zusammen mit Kollegen von der Uni­ver­­sität Grenoble und des CEA in Grenoble einen mecha­­­nischen Reso­nator von Mikrometer­­­größe mit einem Nanometer großen Quanten­­­punkt koppeln. Sie verwendeten dazu Nano­­drähte aus Gallium­­­arsenid, die etwa zehn Mikro­meter lang sind und oben einen Durch­messer von wenigen Mikro­­­metern besitzen. Die Drähte laufen nach unten spitz zu und sehen daher wie winzige, auf dem Substrat aufge­­reihte Trompeten aus. In der Nähe der nur etwa 200 Nano­meter breiten Basis plat­­zierten die Wissen­­­schaftler einen einzelnen Quanten­­­punkt, der einzelne Licht­­­teilchen aussenden kann.

Abb.: Trompetenförmige Nanodrähte mit einer Länge von etwa zehn Mikrometern werden mit Quantenpunkten, die sich an ihrer Basis befinden, gekoppelt. Über eine Veränderung der Wellenlänge des Lichts, das die Quanten­punkte aussenden, lässt sich die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfind­lichkeit von 100 Femto­metern detektieren. (Bild: U. Grenoble)

Schwingt nun der Nano­draht aufgrund einer ther­­mischen oder elek­­­trischen Anregung hin und her, führt die verhältnis­­­mäßig große Masse am breiten Ende der Nano­­­trompete zu recht großen Spannungen im Draht, die sich auf den Quanten­­­punkt an der Basis auswirken. Die Quanten­­­punkte werden zusammen­­­gequetscht und auseinander­­­gezogen. Daraufhin verändert sich die Wellen­­­länge und damit die Farbe der vom Quanten­­­punkt ausge­­­sendeten Photonen. Die Verän­­­derungen sind zwar nicht besonders groß, doch eigens für derartige Messungen in Basel ent­wickelte sensible Mikro­­skope mit sehr stabilen Lasern sind in der Lage, die Wellen­­längen­­ver­än­derungen präzise zu erfassen.

Die Forscher können aus den verän­­derten Wellen­­­längen die Bewegung des Nano­­­drahtes mit einer Empfind­­­lichkeit von nur 100 Femto­­­metern detektieren. Sie erwarten, dass sich umgekehrt durch Anregung des Quanten­­­punktes mit einem Laser, die Schwingung des Nano­­­drahtes je nach Wunsch vergrößern oder verringern lässt. „Uns faszi­niert vor allem, dass eine Kopplung zwischen Objekten von so unter­­­schiedlicher Grösse möglich ist“, sagt Richard Warburton. Es gibt aber auch viel­­fältige Anwendungs­­­möglich­­keiten dieser gegen­­­seitigen Kopplung.

„Wir können diese gekop­pelten Nano­­­drähte beispiels­­­weise als sensible Sensoren zur Analyse von elek­­­trischen oder magne­­­tischen Feldern einsetzen“, erläutert Martino Poggio, der mit seinem Team ver­schiedene Anwen­­­dungen von Nano­­­drähten unter­sucht. „Denkbar ist ebenfalls, mehrere Quanten­­­punkte auf dem Nano­­draht zu plat­zieren, diese über die Bewegung mit­­­einander zu verbinden und so Quanten­­­information weiter­zugeben“, ergänzt Richard War­burton, dessen Gruppe den viel­­­fältigen Einsatz von Quanten­­­punkten in der Photonik im Fokus hat.

U. Basel / JOL

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