Nano-Oszillator mit Tunnel-Trick

In der Welt der Nano-Messtechnik tritt häufig der Effekt auf, dass ein Messgerät Einfluss auf die Messung selbst hat. Ein Detektor misst dann aufgrund seiner Rückwirkung auf das zu messende System nicht einfach nur eine Observable, sondern beeinflusst dieses System, was zu einem störenden Effekt führen kann. Das ist einerseits für den Mess­prozess entscheidend und andererseits ein entschei­dender Faktor bei Messungen nahe am Quantenlimit. Oft muss bei nano­mechanischen Apparaten erheblicher Aufwand betrieben werden, um derartige Einflüsse weitest­gehend zu unterdrücken. Man kann sich diese Rückwirkung aber auch zunutze machen, wie ein Forscherteam um Edward Laird von der Universität Lancaster nun gezeigt hat.

Die Wissenschaftler haben ein besonderes System entworfen, das einen „echten“ nanomechanischen Oszillator darstellt. Die meisten als Nano-Oszil­latoren beschriebenen Strukturen sind eigentlich bloß Resonatoren: Wenn sie angeregt werden, reagieren sie mit einer Schwingung bei einer spezifischen Frequenz auf die externe Kraft. Sie erzeugen die Vibration aber nicht aus sich selbst heraus. Der nun vorgestellte Nano-Oszil­lator fängt aber schon beim Anlegen einer Gleichstrom-Spannung an zu schwingen. Er wandelt diesen direkt in eine akustische Schwingung um.

Zu diesem Zweck haben die Forscher ein Kohlenstoff-Nano­röhrchen zwischen zwei Kontakt­elektroden eingespannt, so dass das frei vibrierende Stück eine Länge von rund 800 Nanometern hatte. Unterhalb des Röhrchens befanden sich fünf weitere Elektroden, an die sich verschiedene Spannungen anlegen ließen, um das elektrische Potenzial passend einzustellen. „Der Oszillations­mechanismus verlangt, dass der Resonator auf die Kraft reagiert, die von einzelnen Elektronen ausgeübt wird“, erklärt Edward Laird. Die Forscher mussten deshalb nicht nur das Nanoröhrchen besonders sorgfältig an den Elektroden befestigen, um jede Art der Konta­mination zu vermeiden. Sie mussten die Messungen auch bei 25 Milli­kelvin durchführen, um thermische Störungen so weit zu reduzieren, dass sie mit Hilfe eines hoch­empfindlichen supraleitenden Verstärkers die Schwingungen elektrisch messen konnten. Das Nano­röhrchen vibrierte dabei mit rund 230 Megahertz.

Das Ungewöhnliche an diesem System ist die Art und Weise, wie die Schwingung angeregt wird: Das Nanoröhrchen konfigurierten die Wissenschaftler als Einzelelektronen­transistor, indem sie die eine passende Spannung anlegten, die die Tunnel­barriere für die Elektronen in der Nähe der Kontaktstellen festlegte. Die Leitfähigkeit hing von der Auslenkung des Nanoröhrchens ab. Die Forscher konnten auf diese Weise eine Rückkopplungs­schleife zwischen der Bewegung des Nanoröhrchens und der Bewegung einzelner Elektronen herstellen. Wenn sich das Nanoröhrchen in Schwingung versetzte, veränderte dies die Rate, mit der einzelne Elektronen zwischen dem Röhrchen und den Elektroden tunneln konnten. Zugleich übten die Elektronen eine elektro­statische Kraft auf das Nanoröhrchen aus. Da diese Kraft bei der gewählten Geometrie nun größer als die thermischen und die Quanten­fluktuationen war, bildete sich eine Rückkopplungs­schleife.

Diese bringt ein überraschend komplexes Verhalten mit sich, das an die Funktionsweise von Lasern erinnert. Wo beim Laser ein elektro­magnetisches Feld schwingt, vibriert hier ein Nano­röhrchen. In beiden Fällen kommt es aufgrund von selbst­verstärkenden Quanteneffekten zu kohärenten Schwingungen. „In diesem Sinn ist das Gerät ein Phononen-Laser“, erklärt Laird. Allerdings ließ sich mit diesem Aufbau noch nicht der nächste logische Schritt vollführen, nämlich eine gerichtete Aussendung von Phononen in ein Ziel­material. Dies teilt der Aufbau mit anderen Phononen-Lasern, die bereits realisiert werden konnten. Mit dem neuen Aufbau ließ sich eine durch externe Wechselfelder stimulierte Schwingung ebenfalls erzeugen, das Besondere war jedoch die Umwandlung von Gleichstrom zu akustischen Schwingungen. Dies gelang nur durch den Einsatz eines extrem leichten Materials wie Kohlenstoff-Nano­röhrchen.

Mit solchen Nano-Oszil­latoren lassen sich selbst winzige mechanische Kräfte messen. In den kommenden Experimenten wollen die Forscher unter anderem ihre Nano­röhrchen in supraflüssiges Helium eintauchen, um dessen Viskosität auf winzigen Skalen zu testen. Man kann vibrierende Nanoröhrchen aber auch in anderen Gebieten zur Anwendung bringen und etwa in einen Quanten­schaltkreis integrieren. So ließe sich etwa der Einzel­elektronen­transistor aus diesem Aufbau künftig auch durch ein supraleitendes Qubit ersetzen, mit dessen Hilfe man einen Superpositions­zustand des gesamten Nanoröhrchens nachweisen könnte. Auch in der Mikroskopie gibt es einige interessante Einsatz­felder für derartige Technologien. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass man vibrierende Nano­röhrchen gut als winzige Kraft­sensoren nutzen könnte, ähnlich wie bei Rasterkraft- und magnetischen Kraft­mikroskopen.

Dirk Eidemüller

Weitere Infos 

• Originalveröffentlichung
  Y. Wen et al.: A coherent nanomechanical oscillator driven by single-electron tunnelling, Nat. Phys., online 14. Oktober 2019; DOI: 10.1038/s41567-019-0683-5
• Quantum Electronic Devices (E. Laird), Lancaster University

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