Mit Schwingungen Kräfte messen

Ein Kind schaukelt auf einer Schaukel, wobei es mit den Beinen Schwung holt. F¨¹r 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 zus?tzlichen Schwung verleiht. Jedenfalls kann die Wechselwirkung zwischen parametrischer Oszillation und einer zus?tzlichen 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.

Einem interdisziplin?ren Team von theoretischen Physikern und Experimentalphysikern der ETH Z¨¹rich 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 l?sst sich in Sensoren anwenden. Die Wissenschaftler haben das darunterliegende Prinzip daher zum Patent angemeldet.

Vorteile bei kleinen Sensoren

?Bereits heute fussen viele Sensoren auf Oszillationen?, erkl?rt Oded Zilberberg, Professor am Institut f¨¹r theoretische Physik. ?Man kann zum Beispiel mit kleinen Resonatoren Kr?fte, Dr¨¹cke, Massen, Schall oder Temperaturen messen. Auch Rasterkraftmikroskope bauen darauf auf.? F¨¹r diese Anwendungen ¨C oft im Mikrotechnikbereich ¨C werden heute allerdings weniger komplizierte, sogenannte harmonische Schwingungen benutzt.

F¨¹r solche Messungen kompliziertere Schwingungen zu verwenden, wie es Zilberberg und seine Kollegen vorschlagen, stellt letztlich einen Paradigmenwechsel dar. Sensoren m¨¹ssten dazu anders konstruiert werden. Besonders f¨¹r sehr kleine Sensoren bringe das neue Prinzip Vorteile, sagt der Physiker. Es sei damit m?glich, extrem kleine und dennoch genauere Sensoren zu bauen, weil sich beim neuen Prinzip das Messsignal besser vom Hintergrundrauschen abhebt als bei bisherigen Methoden.

Experimente mit Atomen und Gitarrensaiten

Entdeckt haben die Wissenschaftler das neue Prinzip, als sie in einem Quantenphysikexperiment mit Rubidium-Atomen parametrische Oszillationen untersuchten. Sp?ter  erforschten sie den Effekt mit einer parametrisch oszillierenden Gitarrensaite. Auf diese Saiten ¨¹bten die Wissenschaftler von aussen eine pulsierende Kraft aus, wobei sie die Frequenz dieses Pulses kontinuierlich variierten. Wie die Forschenden beobachteten, ver?nderte sich die St?rke der Schwingung der Saite (Amplitude) nicht vollst?ndig kontinuierlich, sondern sie ?nderte bei einer bestimmten Frequenz sprunghaft. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass sich von dieser ?Sprungfrequenz? direkt auf die St?rke der von aussen ausge¨¹bten Kraft schliessen l?sst.

Zilberberg und seine Kollegen suchen nun Industriepartner, welche helfen, hochaufl?sende Sensoren zu entwickeln. Und selbst in der Computertechnik k?nnte das neue Prinzip zur Anwendung kommen. Zilberberg: ?In der Fr¨¹hphase des Computerzeitalters gab es Computerspeicher, die auf Oszillatoren basierten, sogenannte Parametrons. Sp?ter verlor die Computerindustrie das Interesse an ihnen. Doch unsere Entdeckung k?nnte dieses Forschungsfeld zu neuem Leben erwecken.?