Synthesizer für nanomechanische Wellen

Forschern aus Deutschland und Österreich ist es gelungen, den ersten Synthesizer für maßgeschneiderte nanomechanische Wellen zu verwirklichen: Sie konnten mehrere Nanoschallwellen unterschiedlichster Frequenzen auf einem Chip so miteinander überlagern, dass sich eine extrem scharf definierten Nanoschallwelle bildete, mit der sie Quanteneffekte in Halbleiteratomen sehr schnell definieren und gezielt kontrollieren konnten.

Bereits im frühen 19. Jahrhundert hatte Jean Baptiste Joseph Fourier nachgewiesen, dass sich durch die gezielte Kombination eines Grundtones mit einer Reihe von Obertönen jede beliebige Schallwelle „komponieren“ lässt. In ihren Experimenten haben die Physiker am Augsburger Lehrstuhl Wixforth und ihre Münchner, Dresdener und Linzer Kollegen das Grundprinzip der Fourier-Synthese nun genutzt, um auf einem Chip nanomechanische Schallwellen höchster Präzision zu erzeugen. Ihr Ansatz basiert auf der Überlagerung akustischer Oberflächenwellen, „Nano-Erdbeben“, einem Verfahren, für das Wixforth mit seinem Augsburger Lehrstuhl als international ausgewiesener Experte gilt.

„Um mit Blick auf das Design einer ‚perfekten Schallwelle’ das Nano-Beben auf unseren Chips zweckgerecht gestalten und kontrollieren zu können, mussten wir im Vorfeld ein neues Design der Elektroden entwickeln, die die Schallwellen erzeugen. Gelöst haben wir dieses Problem durch die Entwicklung neuer Elektroden-Geometrien“, berichtet NIM-Absolvent Florian Schülein. Diese speziellen Elektroden-Geometrien machen es möglich, über eine einfache Sinus-Welle hinaus zeitgleich eine große Zahl von Obertönen höchster Intensität zu erzeugen. „Und diese neu entwickelten Geometrien“, so der Ausgburger Professor Hubert Krenner, „waren der Schlüssel, der es uns ermöglicht hat, die unterschiedlichen Frequenzen mit einer bislang so nicht möglichen Präzision miteinander zu überlagern. Wenn wir die unterschiedlichen Frequenzen auf unserem Chip entsprechend präzise dosiert miteinander kombinieren, können wir aus einer simplen Sinus-Welle eine Dreiecks- oder Rechteckswelle machen oder sogar eine kurze Stoßwelle.“

Um sicher zu gehen, dass sie ihr Ziel – die von ihnen erstrebte „perfekte Nanowelle“ – auch wirklich erreicht hatten, bedienten sich die Forscher nanoskopischer „Drucksensoren“ in Form von Quantenpunkten, die das IFW Dresden speziell dafür hergestellt hatte. „Diese Quantenpunkte“, erläutert Lehrstuhlinhaber Achim Wixforth, „sind Nano-Inseln, die Licht als einzelne Lichtquanten, Photonen und extrem scharfe Spektrallinien abgeben. Die Wellenlänge dieses abgestrahlten Lichts hängt wiederum äußerst empfindlich von der Verformung des Materials ab. Genau diese optisch-mechanische Kopplung haben wir genutzt, um unsere nanomechanische Welle in ein optisches Signal zu übersetzen.“ Und Schülein ergänzt: „Es war faszinierend und sehr befriedigend, an unserem extrem schnellen Stroboskop mitzuverfolgen, wie sich die Spektrallinien des Quantenpunkts exakt so bewegten, wie wir es für unsere perfekte Nanowelle berechnet hatten.“

Dem Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik I wird aufgrund seiner dezidiert anwendungsrelevanten Grundlagenforschung zu akustischen Oberflächenwellen international eine Pionierrolle auf diesem Gebiet zuerkannt. Die von Achim Wixforth entwickelte und angewandte Methode des „Nano-Bebens auf dem Chip“ führt aber immer wieder zu spektakulären Forschungsergebnissen auch in biophysikalischen Kontexten sowie in der Mikrofluidik, die sich mit dem Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum auseinandersetzt, und nicht zuletzt dort, wo es um fundamentale physikalische Fragen wie etwa um den Quanten Hall Effekt geht. Die aktuellen Ergebnisse könnten ermöglichen, Quantensysteme durch Nano-Beben zu kontrollieren.

UA / OD