Ein schwebendes Nanokügelchen als ultra-empfindlicher Sensor

Ein winziges K¨¹gelchen und ein Laserstrahl, in dem es wie von Zauberhand gehalten schwebt ¨C mit diesen einfachen Mitteln haben Martin Frimmer und seine Mitarbeitenden am Photonics Laboratory der ETH Z¨¹rich einen hochempfindlichen Sensor entwickelt. Das Ger?t soll in Zukunft unter anderem extrem schwache Kr?fte oder kleinste elektrische Felder pr?zise messen. Auf dem Weg dorthin sind die Forscher nun einen grossen Schritt weitergekommen, wie sie in einem k¨¹rzlich erschienenen Fachartikel schreiben.

Nanok¨¹gelchen im Laserstrahl

Das Grundprinzip eines Sensors erkl?rt Martin Frimmer, Postdoc in der Arbeitsgruppe von ETH-Professor Lukas Novotny, sehr einleuchtend: ?Zun?chst muss ich wissen, wie das Objekt, das als Sensor fungiert, mit seiner Umwelt in Kontakt steht. Wenn dann ¨¹ber diese Einfl¨¹sse hinaus etwas mit ihm passiert, dann weiss ich: Aha, da ist eine Kraft am Werk.?

In der Praxis bedeutet dies meistens, dass man die Wechselwirkungen mit der Umgebung m?glichst gering halten will, um die Empfindlichkeit des Sensors auf die zu messenden Kr?fte zu maximieren. Genau dies erreichten die Wissenschaftler, indem sie ein kugelf?rmiges Nanopartikel aus Siliziumdioxid, dessen Durchmesser etwa hundert Mal kleiner ist als ein menschliches Haar, mit Hilfe eines geb¨¹ndelten Laserstrahls einfangen. Dieser bildet eine so genannte ?optische Pinzette?, in der das Nanok¨¹gelchen durch Lichtkr?fte im Brennpunkt des Strahls festgehalten wird. Wirkt nun eine weitere Kraft auf das K¨¹gelchen, so wird es aus seiner Ruheposition verschoben, was man wiederum mit Hilfe eines Laserstrahls messen kann.

Entladen mit Hochspannung

Da die optische Pinzette das Nanok¨¹gelchen ohne jeglichen mechanischen Kontakt in der Schwebe h?lt, kann der Einfluss der Umwelt leicht auf ein Minimum reduziert werden. Um dies zu erreichen, platzierten Frimmer und sein Team die optische Pinzette in eine Vakuumapparatur, so dass es praktisch keine Zusammenst?sse mit Luftmolek¨¹len mehr gibt. Das einzige, was jetzt noch st?ren kann, ist eine eventuelle elektrische Ladung auf dem Nanopartikel. Durch diese k?nnten nicht ausreichend abgeschirmte elektrische Felder das K¨¹gelchen beeinflussen und damit eine m?gliche Messung st?ren.

Deshalb entwickelten die ETH-Forscher nun eine simple, aber sehr wirkungsvolle Methode, mit der die Ladung auf dem K¨¹gelchen neutralisiert werden kann. Sie montierten dazu in der Vakuumapparatur einen Draht, an den eine Hochspannung von 7000 Volt angeschlossen wird. Die Hochspannung f¨¹hrt dazu, dass Luftmolek¨¹le ionisiert, also in negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen aufgespalten werden. Diese k?nnen nun auf das Nanok¨¹gelchen ¨¹berspringen und dessen Ladung st?rker negativ oder positiv werden lassen.

Um zu messen, welche Ladung es in einem bestimmten Moment tr?gt, setzten die Physiker das K¨¹gelchen einem oszillierenden elektrischen Feld aus und beobachteten, wie stark es darauf reagiert. So konnten sie nachweisen, dass die Ladung des K¨¹gelchens sich in Schritten von genau einer Elementarladung (das heisst der Ladung eines Elektrons) zum Positiven oder zum Negativen ?ndert. Wird die Hochspannung abgeschaltet, so bleibt seine Ladung ¨¹ber Tage hinweg konstant.

Gravitation und Quantenmechanik

Diese perfekte Kontrolle erlaubt es den Wissenschaftlern, das Nanopartikel elektrisch komplett zu neutralisieren. Elektrische Felder haben somit keine Wirkung mehr auf das K¨¹gelchen, wodurch es m?glich wird, andere, sehr schwache Kr?fte sehr genau zu messen. Eine solche Kraft ist die Gravitation. Martin Frimmer spekuliert, wenn auch vorsichtig, dass es mit dem von ihm entwickelten Nano-Sensor in Zukunft m?glich sein sollte, die Schwerkraft im Zusammenhang mit der Quantenmechanik zu studieren.

Schon jetzt k?nnen die Forscher das K¨¹gelchen durch geschicktes Manipulieren der optischen Pinzette auf weniger als ein Zehntausendstel Grad ¨¹ber dem absoluten Nullpunkt abk¨¹hlen. Bei noch niedrigeren Temperaturen sollte das Nanopartikel beginnen, sich quantenmechanisch zu verhalten, so dass an ihm Ph?nomene wie die Quanten-?berlagerungen und deren Abh?ngigkeit von der Gravitation beobachtet werden k?nnten.

Interessante Anwendungen f¨¹r den Sensor der ETH-Forscher bieten sich aber auch in allt?glicheren Bereichen, etwa bei der Messung von Beschleunigungen. Da die Ladung des Nanok¨¹gelchens nicht nur neutralisiert, sondern wahlweise auf einen genau bestimmbaren Wert eingestellt werden kann, eignet sich der Sensor ebenso zur Pr?zisionsmessung elektrischer Felder.