Der Nachbar schwingt mit
Verspannungsfeld zweier schwingender Nanosäulen zur Vermittlung einer mechanischen Kopplung zwischen den Nanosäulen. © AG Weig
Sie sehen aus wie Zahnstocher, nur dass sie winzig klein sind: 10.000-mal kürzer und 1.000-mal dünner. Im Arbeitsbereich der Physikerin Prof. Dr. Eva Weig ist es an der Universität Konstanz gelungen, Nanosäulen so nah aneinander zu bauen, dass sie durch die Verspannung im Boden gekoppelt werden können und miteinander schwingen. Aufgrund dieser Technik sind ganze Felder solcher Resonatoren denkbar, die wiederum als Sensoren oder Taktgeber eingesetzt werden und in der Quantentechnologie Anwendung finden könnten. Die Beschreibung der Experimente ist im Open Access-Journal Nature Communications nachzulesen. Die Kopplung von nanomechanischen Resonatoren ist derzeit ein vielbeforschtes Gebiet, da diese in mancher Hinsicht im Kollektiv besser schwingen als allein. Im Gegensatz zu Konstruktionen, bei denen die Kopplung erst durch angelegte Felder aufgebaut werden muss, reicht es beim Resonatoren-Modell der Konstanzer Arbeitsgruppe für Nanomechanische Systeme, dass die Nanosäulen selbst gewisse Bedingungen erfüllen. Die wichtigste Bedingung ist, dass sie nahe genug nebeneinander auf dem Boden verankert sind. Wird eine Nanosäule in Schwingung versetzt, verspannt sich am Boden die Umgebung. Die Verspannung hat eine gewisse Reichweite, so dass die benachbarte Säule sie „spürt“ und sich mit bewegt. „Die Kopplung ist sogar ziemlich stark, wenn man die Säulen nah genug aneinanderstellt“, sagt Eva Weig.
Vorteil: Große Säulenfelder sind leichter möglich
„Unser System hat den Vorteil, dass damit leicht große Felder mit
vielen Säulen gebaut werden können“, sagt Doktorandin und Mitautorin
Juliane Doster. Da die Schwingungsamplituden der Säulen so groß sind,
dass sie sogar im Mikroskop sichtbar sind, wäre es möglich, direkt zu
beobachten, was in solch einem Säulenfeld passiert. Die Arbeitsgruppe
hat für ihre Nanosäulen den Halbleiter Galliumarsenid verwendet. Denkbar
sind eigentlich alle Halbleiter. „Man muss nur wissen, wie man die
Säulen aus dem Material herausätzen kann“, sagt Juliane Doster.
Perspektive: Gekoppelte Säulenfelder
In die Resonatorenfelder könnten obendrein zusätzliche Funktionen
eingebaut werden. „Auch wenn unsere Säulen bislang noch nicht
funktionalisiert sind, eröffnen unsere Ergebnisse die Perspektive,
zukünftig ganze Netzwerke von solchen funktionalisierten Nanosäulen zu
realisieren“, so Eva Weig. Zum Beispiel könnten damit mehrere
Einzelphotonenquellen miteinander synchronisiert werden, was Anwendungen
in der Quantentechnologie eröffnet. Eine weitere mögliche Anwendung
käme sogar ohne Funktionalisierung aus: Gekoppelte Säulenfelder könnten
möglicherweise auch dazu genutzt werden, akustische Signale verlustfrei
in einer Art „Einbahnstraße für Schallwellen“ zu leiten.