© NanoLetters CC BY SA Kuhn et. al.

Wissenschaft

Wiener Forscher bringen Nanorotoren zum Fliegen

Ein internationales Forscherteam unter Beteiligung der Universität Wien hat es erstmals geschafft, Nanostäbchen zu präparieren, mit Hilfe von Laserlicht ins Vakuum zu heben und ihre Bewegung genau zu verfolgen und zu beeinflussen. Die im Fachjournal "Nano Letters" publizierten Ergebnisse sollen es unter anderem ermöglichen, in Zukunft immer größere Objekte in Quantenzustände bringen zu können.

"Obwohl diese Teilchen zehn Millionen mal kleiner sind und sich über eine Millionen mal schneller drehen als die Rotorblätter eines Hubschraubers, können wir ihre Bewegung nicht nur sichtbar machen, sondern durch intensives Laserlicht sogar manipulieren", wird Erstautor Stefan Kuhn von der Fakultät für Physik der Universität Wien, in einer Aussendung zitiert. Aufgrund der asymmetrischen Form der Stäbchen wurden im Rahmen des Projekts unter Mitwirkung von Forschern der Uni Wien, der Tel Aviv University und der Universität Duisburg-Essen bis zu dreimal stärkere Kräfte beobachtet, als man etwa für runde Teilchen gleicher Masse erwarten würde.

Hergestellt wurden die Nanoteilchen an der Universität von Tel Aviv. Aus der Oberfläche eines Silizium-Plättchens wird ein "Wald" aus stehenden Stäbchen geätzt, deren Dicke rund 200 Mal dünner ist als die eines menschlichen Haares. Eigens erzeugte Sollbruchstellen lassen die Stäbchen im Wiener Quantenlabor durch Laserimpulse auf der Rückseite der Plättchen abbrechen. Die abgelösten Teilchen fliegen dann in einer Vakuumapparatur durch einen optischen Resonator, der infrarotes Laserlicht auf eine Leistung von mehreren hundert Watt verstärkt.

Winzige Effekte

Die frei fliegenden und rotierenden Nanoteilchen streuen abhängig von ihrer Position und Orientierung einen Teil des Lichts. Das erlaubt es, die Bewegung jedes einzelnen Teilchens in Echtzeit mit der Auflösung von einer Millionstel Sekunde zu verfolgen. Zusätzlich übt das Licht Kräfte auf die Bewegung der Teilchen aus, wodurch deren Geschwindigkeit und Bewegung beeinflusst werden können.

Quantenmechanische Effekte lassen sich bisher nur in sehr kleinen Systemen beobachten. "Generell arbeiten wir darauf hin, immer größere Objekte besser zu kontrollieren und in Quantenzustände versetzen zu können", erklärte Markus Arndt, Professor für Quantenphysik an der Uni Wien, gegenüber der APA ein wichtiges Ziel seines Forschungsteams und des EU-Konsortiums "Nanoquestfit", das von Wien aus koordiniert wird. Die Herausforderung für die übernächste Generation von Experimenten ist es laut Arndt nun, sehr massive Nanopartikelchen mit Massenzahlen zwischen zehn Millionen und zehn Milliarden kontrollieren zu können (die Massenzahl entspricht der Summe der in einem Atomkern enthaltenen Neutronen und Protonen; Anm.). "Bei mittelgroßen Massen, um 10.000 bis 100.000 Massenzahlen sind Quantenexperimente vergleichsweise leicht", so der Physiker. "Es ist für uns eine reine Neugierde, ob in immer größeren Massenklassen möglicherweise Abweichungen von der Quantenphysik auftauchen könnten."

In Zukunft möchte das Forscherteam um Arndt die optischen Kräfte nutzen, um die Drehbewegung der Nano-Rotoren zu kühlen. Das System könnte man auch als Sensor zur Messung sehr kleiner Kräfte, als Mini-Gyroskop (Kreiselinstrument) oder zur Untersuchung der Thermodynamik an einzelnen Teilchen verwenden.

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