Nano-Rotoren haben den Dreh raus

Wieso können wir quantenmechanische Phänomene bislang nur in kleinen Systemen beobachten, und gibt es eine fundamentale Massengrenze? Die Beantwortung dieser Fragen steht im Mittelpunkt der Arbeiten des Teams rund um den Quantenphysiker Markus Arndt von der Universität Wien – und findet sich ebenso im Programm des EU-Konsortiums NANOQUESTFIT, das an der Universität Wien koordiniert wird. Beim Versuch, Quanteneffekte mit immer größeren Objekten zu demonstrieren, sei es wichtig, deren Eigenschaften kontrollieren zu können: Dem europäischen Konsortium ist es nun erstmals gelungen, Silizium-Nanostäbchen so zu präparieren, dass sie mittels Laserlicht im Vakuum kontrolliert zum Fliegen gebracht werden können.

"Obwohl diese Teilchen zehn Millionen mal kleiner sind und sich über eine Million mal schneller drehen als die Rotorblätter eines Hubschraubers, können wir ihre Bewegung nicht nur sichtbar machen, sondern durch intensives Laserlicht sogar manipulieren", so Stefan Kuhn von der Gruppe Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation der Universität Wien und Erstautor der Studie. Der erfreuliche Nebeneffekt: Aufgrund der Form der Nano-Rotoren werden bis zu dreimal stärkere Kräfte beobachtet, als man für runde Teilchen gleicher Masse erwarten würde. Das ist ein wichtiger Faktor im Vergleich zu allen bislang untersuchten Systemen.

Ein Wald aus Silizium-Stäbchen

Die Nanoteilchen werden an der Universität von Tel Aviv in Israel unter der Leitung von Fernando Patolsky hergestellt. Dabei wird aus der Oberfläche eines Silizium-Plättchens ein Wald aus stehenden Stäbchen geätzt, deren Durchmesser rund 200 Mal dünner ist als ein Haar. Ein spezielles Verfahren erzeugt an den Füßen der Stäbchen Sollbruchstellen, an denen sie später gezielt abgebrochen werden können – das schaut in etwa so aus wie von Bibern angenagte Bäume kurz vor dem Umfallen, vergleichen die ForscherInnen schmunzelnd. Tatsächlich abgebrochen werden die Stäbchen allerding erst im Wiener Quantennanolabor – durch intensive Laserlichtimpulse auf die den Stäbchen abgewandte Rückseite des Plättchens. Die abgelösten Teilchen fliegen in der Vakuumapparatur durch einen optischen Resonator, der infrarotes Laserlicht auf eine Leistung von einigen hundert Watt verstärkt.

Ein neuer Twist für die Optomechanik

Wenn die frei fliegenden und rotierenden Teilchen mit dem Laserlicht innerhalb des Resonators wechselwirken, passiert folgendes: Zum einen streuen die Nanoteilchen einen Teil des Lichts abhängig von ihrer Position und Orientierung. Dadurch lässt sich die Bewegung jedes einzelnen Teilchens in Echtzeit mit der Auflösung einer Millionstel Sekunde verfolgen. Zum anderen übt das Licht Kräfte auf die Bewegung der Teilchen aus, wodurch deren Geschwindigkeit und Drehung beeinflusst werden können.

In Zukunft möchte das Team die optischen Kräfte nutzen, um die Drehbewegung der Nano-Rotoren zu kühlen. "Die Rotation der Teilchen gibt uns um einige Grade mehr Freiheit, die Teilchen zu kontrollieren", so Kuhn: "Zusätzlich könnte man unser System als Sensor zur Messung sehr kleiner Kräfte, als Mini-Kreisel oder zur Untersuchung der Thermodynamik an einzelnen Teilchen verwenden." (sb)

Publikation in Nano Letters:
Cavity-Assisted Manipulation of Freely Rotating Silicon Nanorods in High Vacuum: Stefan Kuhn, Peter Asenbaum, Alon Kosloff, Michele Sclafani, Benjamin A. Stickler, Stefan Nimmrichter, Klaus Hornberger, Ori Cheshnovsky, Fernando Patolsky, and Markus Arndt. Nano Letters, 15(8), 5604–5608 (2015) . DOI:10.1021/acs.nanolett.5b02302