Ein großer Sprung in der Messtechnik beginnt mit einer winzigen Lücke von 32 Nanometern. Das ist der Abstand zwischen einer beweglichen Aluminiummembran und einer fixierten Elektrode, die gemeinsam einen extrem kompakten Plattenkondensator bilden – ein neuer Weltrekord. Diese Struktur soll sich künftig für hochpräzise Sensoren eignen, wie sie etwa für Rasterkraftmikroskope benötigt werden.

Doch dieser Weltrekord ist mehr als nur eine beeindruckende Miniaturisierung – er ist Teil einer größeren Strategie. Die TU Wien entwickelt unterschiedliche Hardware-Plattformen, um Quantensensorik einfacher, robuster und vielseitiger nutzbar zu machen. In konventionellen optomechanischen Experimenten wird die Bewegung winziger mechanischer Strukturen mit Licht ausgelesen – doch optische Aufbauten sind empfindlich, komplex und schwer in handliche, kleine Systeme integrierbar. Die TU Wien nutzt deshalb statt optischer Schwingungen andere Arten von Schwingungen, die sich für kompaktere Sensoren eignen.

Bis zur Grenze der Quantenphysik

In der Weltrekord-Struktur mit dem 32-Nanometer-Kondensator übernimmt ein elektrischer Schwingkreis diese Aufgabe. In anderen Experimenten verwendet das Team der TU Wien rein mechanische Resonatoren, deren Schwingungen gezielt miteinander gekoppelt werden können.

Beide Plattformen verfolgen dasselbe Ziel: Mechanische und elektromechanische Nanostrukturen so weit zu verbessern, dass sie eines Tages Messungen ermöglichen, die nur noch von den fundamentalen Grenzen der Quantenphysik beschränkt sind.

Hochpräzise messen durch Vibrationen

Wenn man eine Trommel schlägt, dann vibriert die Membran. Ihr Klang verrät, wie stark sie gespannt ist. „Auf ähnliche Weise wird auch die Schwingung unserer Nanomembran von verschiedenen Parametern beeinflusst“, erklärt Daniel Platz vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien, der das Projekt zusammen mit Prof. Ulrich Schmid geleitet hat. „Unsere Aluminiummembran bildet zusammen mit einer Elektrode einen winzigen Kondensator. In Kombination mit einer Spule entsteht ein Schwingkreis, dessen Resonanz sehr empfindlich auf jede Veränderung der mechanischen Schwingung reagiert.“

Diese Kopplung zwischen Membranbewegung und elektrischem Schwingkreis ermöglicht die Messung extrem kleiner Schwingungen. Normalerweise hat man bei solchen Messungen immer mit einem gewissen Messrauschen zu kämpfen – mit Ungenauigkeiten, die unterschiedliche Ursachen haben können. Temperatur kann zu Rauschen führen, optische oder elektrische Signale rauschen, weil sie aus einzelnen Teilchen bestehen. Optische Messmethoden können dabei zwar prinzipiell sehr exakt sein. Die nun an der TU Wien entwickelten Strukturen ermöglichen ein besseres Rausch-Verhalten als bisher, das prinzipiell nur von den Gesetzen der Quantenphysik beschränkt wird, ohne dabei auf optische Komponenten zurückzugreifen.

Das macht die Technologie zu einem perfekten Partner für die Rasterkraftmikroskopie: Im Rasterkraftmikroskop bewegt man eine dünne Spitze knapp über eine Oberfläche. Winzige Kräfte zwischen den Atomen der Oberfläche und der Spitze erzeugen Vibrationen – wenn man diese Vibrationen misst, erhält man ein hochexaktes Bild der Oberfläche. „Wir ersetzen optische Messungen durch die Messung des elektrischen Schwingkreises – ganz ohne sperrige optische Komponenten“, erklärt Ioan Ignat, der zusammen mit MinHee Kwon am Projekt geforscht hat – beide arbeiten an der TU Wien derzeit an ihrer Dissertation.

Die Tür zur Quantenwelt

Nicht einmal der elektrische Schwingkreis ist zwingend nötig. Mit einer anderen Struktur konnte man zeigen: Man kann stattdessen auch auf rein mechanische Strukturen zurückgreifen, die sich in einem Chip integrieren lassen. „Aus Sicht der Quantentheorie spielt es gar keine entscheidende Rolle, ob man mit elektromagnetischen Schwingungen arbeitet oder mit mechanischen Vibrationen – mathematisch lässt sich beides gleich beschreiben“, sagt MinHee Kwon.

Damit lässt sich auch das Problem umgehen, dass elektrische Schwingkreise in der Quantensensorik oft auf sehr tiefe Temperaturen abgekühlt werden müssen. „Selbst bei Raumtemperatur lassen sich die Schwingungen eines rein mikromechanischen Systems über einen GHz-Frequenzbereich miteinander koppeln, ohne dass thermisches Rauschen die Effekte der Kopplung überdeckt“, sagt Daniel Platz. „Das ist bemerkenswert, denn viele der bisherigen Quantensensorik-Experimente funktionieren nur in der Gegend des absoluten Temperaturnullpunkts.“

„Unsere Ergebnisse stimmen uns extrem optimistisch für die Zukunft“, sagt Daniel Platz. „Wir konnten nun zeigen, dass unsere Nano-Strukturen wichtige Eigenschaften haben, die man für die Herstellung einer neuen, zuverlässigen, hochpräzisen Generation von Quanten-Sensoren braucht. Die Tür zur Quantenwelt ist somit offen, wir sind gespannt, was dort alles auf uns wartet.“

Die Forschungsarbeit wurde im Rahmen des EU-Projekts Q-AFM durchgeführt. Mehr dazu: www.qafm.eu, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster