Überblick

Schwingende Nanosaiten

Experimente mit winzigen mechanischen Resonatoren aus Siliziumnitrid zwischen Grundlagenforschung und Anwendung

  • Thomas Faust, Johannes Rieger, Jörg P. Kotthaus und Eva M. Weig
  • 04 / 2014 Seite: 29

Moderne Methoden der Mikrostrukturierung erlauben es, freitragende Drähte herzustellen, die bei einer Länge von einigen zehn Mikrometern nur etwa hundert Nanometer schmal sind. In Schwingung versetzt, vibrieren solche nanomechanischen Resonatoren mit Eigenfrequenzen im Radiobereich. Resonatoren hoher Güte lassen sich präzise kontrollieren und erlauben zum Beispiel Einblicke in die kohärente Dynamik zweier gekoppelter klassischer Schwingungsmoden. Ihr Einsatz reicht von hochempfindlicher Sensorik bis hin zur Lösung fundamentaler physikalischer Fragen.

Mechanische Strukturen mit Größen im Mikrometerbereich finden sich in einer Vielzahl von Sensorikanwendungen. So sind sie in Airbags, Spielkonsolen und Smartphones als Beschleunigungssensoren integriert, eignen sich aber z. B. auch zur Gasdetektion. Noch weit kleinere, nanomechanische Resonatoren [1] sind aufgrund ihrer deutlich geringeren Massen kaum mehr durch Gravitation oder Trägheits­kräfte zu beeinflussen, lassen sich aber weiterhin komplett durch die Gesetze der klassischen Mechanik beschreiben. Aufgrund der winzigen Rückstellkräfte reagieren sie sehr empfindlich auf viele andere Felder. So eignen sich leitende nano­mechanische Resonatoren als extrem empfindliche Ladungsdetektoren [2]. Die Kombination mit einem winzigen Magneten ermöglicht es, einzelne Elektronen- und nur wenige Kernspins zu detektieren [3]. Außerdem reicht die Massenempfindlichkeit bis in den Yoktogramm-Bereich (10–24 g) [4]. Für solche Sensoren kommen insbesondere nanomechanische Resonatoren hoher Güte infrage, da sie aufgrund ihrer hohen Frequenzen im Megahertz-Bereich eine empfindliche Detektion mit großer Bandbreite erlauben. Solche Resonatoren bilden auch ideale Modellsysteme für Untersuchungen nichtlinearen Verhaltens und Chaos [5]. Darüber hinaus ist es in den letzten Jahren gelungen, mikroskopische mechanische Resonatoren derart weit abzukühlen, dass sie ihren quantenmechanischen Grundzustand erreichen. Damit könnten nanomechanische Modellsysteme sogar dazu dienen, fundamentale Fragen der Quanten­mechanik zu beantworten [6]. ...

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