Sensor misst auf Femtometer genau

  • 02. August 2017

Konzept basiert auf der geschickten Kopplung eines Quantenpunkts mit einem Nanodraht.

Die Teams um Richard Warburton und Martino Poggio vom Swiss Nano­­science Institute der Uni­­versität Basel konnten zusammen mit Kollegen von der Uni­ver­­sität Grenoble und des CEA in Grenoble einen mecha­­­nischen Reso­nator von Mikrometer­­­größe mit einem Nanometer großen Quanten­­­punkt koppeln. Sie verwendeten dazu Nano­­drähte aus Gallium­­­arsenid, die etwa zehn Mikro­meter lang sind und oben einen Durch­messer von wenigen Mikro­­­metern besitzen. Die Drähte laufen nach unten spitz zu und sehen daher wie winzige, auf dem Substrat aufge­­reihte Trompeten aus. In der Nähe der nur etwa 200 Nano­meter breiten Basis plat­­zierten die Wissen­­­schaftler einen einzelnen Quanten­­­punkt, der einzelne Licht­­­teilchen aussenden kann.

Abb.: Trompetenförmige Nanodrähte mit einer Länge von etwa zehn Mikrometern werden mit Quantenpunkten, die sich an ihrer Basis befinden, gekoppelt. Über eine Veränderung der Wellenlänge des Lichts, das die Quantenpunkte aussenden, lässt sich die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfindlichkeit von 100 Femtometern detektieren. (Bild: U. Grenoble)

Abb.: Trompetenförmige Nanodrähte mit einer Länge von etwa zehn Mikrometern werden mit Quantenpunkten, die sich an ihrer Basis befinden, gekoppelt. Über eine Veränderung der Wellenlänge des Lichts, das die Quanten­punkte aussenden, lässt sich die Bewegung des Nanodrahtes mit einer Empfind­lichkeit von 100 Femto­metern detektieren. (Bild: U. Grenoble)

Schwingt nun der Nano­draht aufgrund einer ther­­mischen oder elek­­­trischen Anregung hin und her, führt die verhältnis­­­mäßig große Masse am breiten Ende der Nano­­­trompete zu recht großen Spannungen im Draht, die sich auf den Quanten­­­punkt an der Basis auswirken. Die Quanten­­­punkte werden zusammen­­­gequetscht und auseinander­­­gezogen. Daraufhin verändert sich die Wellen­­­länge und damit die Farbe der vom Quanten­­­punkt ausge­­­sendeten Photonen. Die Verän­­­derungen sind zwar nicht besonders groß, doch eigens für derartige Messungen in Basel ent­wickelte sensible Mikro­­skope mit sehr stabilen Lasern sind in der Lage, die Wellen­­längen­­ver­än­derungen präzise zu erfassen.

Die Forscher können aus den verän­­derten Wellen­­­längen die Bewegung des Nano­­­drahtes mit einer Empfind­­­lichkeit von nur 100 Femto­­­metern detektieren. Sie erwarten, dass sich umgekehrt durch Anregung des Quanten­­­punktes mit einem Laser, die Schwingung des Nano­­­drahtes je nach Wunsch vergrößern oder verringern lässt. „Uns faszi­niert vor allem, dass eine Kopplung zwischen Objekten von so unter­­­schiedlicher Grösse möglich ist“, sagt Richard Warburton. Es gibt aber auch viel­­fältige Anwendungs­­­möglich­­keiten dieser gegen­­­seitigen Kopplung.

„Wir können diese gekop­pelten Nano­­­drähte beispiels­­­weise als sensible Sensoren zur Analyse von elek­­­trischen oder magne­­­tischen Feldern einsetzen“, erläutert Martino Poggio, der mit seinem Team ver­schiedene Anwen­­­dungen von Nano­­­drähten unter­sucht. „Denkbar ist ebenfalls, mehrere Quanten­­­punkte auf dem Nano­­draht zu plat­zieren, diese über die Bewegung mit­­­einander zu verbinden und so Quanten­­­information weiter­zugeben“, ergänzt Richard War­burton, dessen Gruppe den viel­­­fältigen Einsatz von Quanten­­­punkten in der Photonik im Fokus hat.

U. Basel / JOL

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