Ein schwebendes Nanokügelchen als ultra-empfindlicher Sensor

Empfindliche Sensoren müssen weitgehend von Umwelteinflüssen abgeschirmt sein. Forschende an der ETH Zürich haben nun gezeigt, wie man elektrische Ladung von einem Nanokügelchen, mit dem kleinste Kr?fte gemessen werden k?nnen, entfernt und ihm hinzufügt.

Nanokugel-Sensor
Ein Mikroskop-Objektiv (rechts) bündelt Laserlicht zu einer optischen Pinzette, von der ein Nanokügelchen (winziger roter Punkt in der Bildmitte) in der Schwebe gehalten wird. (Bild: ETH Zürich / Erik Hebestreit und Vijay Jain)

Ein winziges Kügelchen und ein Laserstrahl, in dem es wie von Zauberhand gehalten schwebt – mit diesen einfachen Mitteln haben Martin Frimmer und seine Mitarbeitenden am Photonics Laboratory der ETH Zürich 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 kürzlich erschienenen Fachartikel schreiben.

Nanokügelchen 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 über diese Einflüsse 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 gebündelten Laserstrahls einfangen. Dieser bildet eine so genannte ?optische Pinzette?, in der das Nanokügelchen durch Lichtkr?fte im Brennpunkt des Strahls festgehalten wird. Wirkt nun eine weitere Kraft auf das Kügelchen, so wird es aus seiner Ruheposition verschoben, was man wiederum mit Hilfe eines Laserstrahls messen kann.

Entladen mit Hochspannung

Da die optische Pinzette das Nanokügelchen 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 Luftmolekülen 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 Kügelchen 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 Kügelchen neutralisiert werden kann. Sie montierten dazu in der Vakuumapparatur einen Draht, an den eine Hochspannung von 7000 Volt angeschlossen wird. Die Hochspannung führt dazu, dass Luftmoleküle ionisiert, also in negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen aufgespalten werden. Diese k?nnen nun auf das Nanokügelchen überspringen 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 Kügelchen einem oszillierenden elektrischen Feld aus und beobachteten, wie stark es darauf reagiert. So konnten sie nachweisen, dass die Ladung des Kügelchens 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 über 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 Kügelchen, 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 Kügelchen durch geschicktes Manipulieren der optischen Pinzette auf weniger als ein Zehntausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlen. 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 für den Sensor der ETH-Forscher bieten sich aber auch in allt?glicheren Bereichen, etwa bei der Messung von Beschleunigungen. Da die Ladung des Nanokügelchens nicht nur neutralisiert, sondern wahlweise auf einen genau bestimmbaren Wert eingestellt werden kann, eignet sich der Sensor ebenso zur Pr?zisionsmessung elektrischer Felder.

Literaturhinweis

Frimmer M, Luszcz K, Ferreiro S, Jain V, Hebestreit E, Novotny L: Controlling the net charge on a nanoparticle optically levitated in vacuum. Physical Review A 2017, 95, 061801(R), doi: externe Seite 10.1103/PhysRevA.95.061801  

JavaScript wurde auf Ihrem Browser deaktiviert