Grundlagenforschung Nanokügelchen als ultra-empfindlicher Sensor

Redakteur: Sergio Caré

Empfindliche Sensoren müssen weitgehend von Umwelteinflüssen abgeschirmt sein. Forschende an der ETH Zürich haben nun gezeigt, wie man elektrische Ladung von einem Nanokügelchen, mit dem kleinste Kräfte gemessen werden können, entfernt und ihm hinzufügt.

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Empfindliche Sensoren müssen weitgehend von Umwelteinflüssen abgeschirmt sein. Forschende an der ETH Zürich haben nun gezeigt, wie man elektrische Ladung von einem Nanokügelchen, mit dem kleinste Kräfte gemessen werden können, entfernt und ihm hinzufügt.
Empfindliche Sensoren müssen weitgehend von Umwelteinflüssen abgeschirmt sein. Forschende an der ETH Zürich haben nun gezeigt, wie man elektrische Ladung von einem Nanokügelchen, mit dem kleinste Kräfte gemessen werden können, entfernt und ihm hinzufügt.
(Bild: ETH Zürich / Erik Hebestreit & Vijay Jain)

Ein winziges Kügelchen und ein Laserstrahl, in dem es wie von Zauberhand gehalten schwebt – mit diesen einfachen Mitteln haben Martin Frimmer und seine Mitarbeitenden am Photonics Laboratory der ETH Zürich einen hochempfindlichen Sensor entwickelt. Das Gerät soll in Zukunft unter anderem extrem schwache Kräfte oder kleinste elektrische Felder präzise messen. Auf dem Weg dorthin sind die Forscher nun einen grossen Schritt weitergekommen, wie sie in einem kürzlich erschienenen Fachartikel schreiben.

Nanokügelchen im Laserstrahl

Das Grundprinzip eines Sensors erklärt Martin Frimmer, Postdoc in der Arbeitsgruppe von ETH-Professor Lukas Novotny, sehr einleuchtend: «Zunächst muss ich wissen, wie das Objekt, das als Sensor fungiert, mit seiner Umwelt in Kontakt steht. Wenn dann über diese Einflüsse hinaus etwas mit ihm passiert, dann weiss ich: Aha, da ist eine Kraft am Werk.» In der Praxis bedeutet dies meistens, dass man die Wechselwirkungen mit der Umgebung möglichst gering halten will, um die Empfindlichkeit des Sensors auf die zu messenden Kräfte zu maximieren. Genau dies erreichten die Wissenschaftler, indem sie ein kugelförmiges Nanopartikel aus Siliziumdioxid, dessen Durchmesser etwa hundert Mal kleiner ist als ein menschliches Haar, mit Hilfe eines gebündelten Laserstrahls einfangen. Dieser bildet eine sogenannte «optische Pinzette», in der das Nanokügelchen durch Lichtkräfte im Brennpunkt des Strahls festgehalten wird. Wirkt nun eine weitere Kraft auf das Kügelchen, so wird es aus seiner Ruheposition verschoben, was man wiederum mit Hilfe eines Laserstrahls messen kann.

Gravitation und Quantenmechanik

Durch den Sensiblen Sensor ist es nun sogar möglich, sehr schwache Kräfte, wie die Gravitation, sehr genau zu messen. Martin Frimmer spekuliert, wenn auch vorsichtig, dass es mit dem von ihm entwickelten Nano-Sensor in Zukunft möglich sein sollte, die Schwerkraft im Zusammenhang mit der Quantenmechanik zu studieren. Interessante Anwendungen für den Sensor der ETH-Forscher bieten sich aber auch in alltäglicheren Bereichen, etwa bei der Messung von Beschleunigungen. Da die Ladung des Nanokügelchens nicht nur neutralisiert, sondern wahlweise auf einen genau bestimmbaren Wert eingestellt werden kann, eignet sich der Sensor ebenso zur Präzisionsmessung elektrischer Felder.

Autor: Oliver Morsch / ETH Zürich

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