Ring my string: Bau von Silizium-Nanosaiten
Wenn man eine Saite anzieht, z. B. beim Stimmen einer Gitarre, schwingt sie schneller. Bei Saiten in Nanogrösse verringert oder «verdünnt» eine erhöhte Spannung jedoch auch den Verlust der Schwingungsmoden der Saite.
Dieser Effekt, der als «Dissipationsverdünnung» bekannt ist, wurde zur Entwicklung mechanischer Geräte für die Quantentechnologie genutzt, bei denen technisch hergestellte, gespannte Nanosaiten mit einer Dicke von nur einigen zehn Atomlagen mehr als zehn Milliarden Mal schwingen, nachdem sie nur einmal gezupft wurden. Das Äquivalent auf einer Gitarre wäre ein Akkord, der nach dem Anzupfen etwa ein Jahr lang zu hören wäre.
Forschende der EPFL unter der Leitung von Professor Tobias J. Kippenberg haben nun eine einfache Beobachtung über Kristalloszillatoren gemacht, die in elektronischen Geräten allgegenwärtig sind und von denen bekannt ist, dass sie bei niedrigen Temperaturen einen extrem geringen mechanischen Energieverlust aufweisen. Die Forscher wiesen nach, dass ein kristallines Material mit nanoskaliger Dicke, das mit hoher Spannung gedehnt wird und seine atomare Ordnung beibehält, ein guter Kandidat für die Herstellung von Saiten mit langlebigen akustischen Schwingungen ist. Die Studie ist in Nature Physics veröffentlicht.
«Wir haben uns für gespannte Siliziumfilme entschieden, weil es sich dabei um eine etablierte Technologie in der Elektronikindustrie handelt, wo sie zur Verbesserung der Leistung von Transistoren eingesetzt werden», sagt Dr. Nils Engelsen, einer der Autoren der Studie. «Gespannte Siliziumfilme sind daher in extrem geringen Dicken von etwa 10 Nanometern im Handel erhältlich.»
Eine grosse Herausforderung besteht darin, dass die Nanoringe ein extremes Seitenverhältnis aufweisen müssen. In dieser Arbeit sind die nanomechanischen Bauteile 12 Nanometer dick und bis zu 6 Millimeter lang. Würde man einen solchen Nanostring aufrecht stehend bauen, mit einem Fundamentdurchmesser, der dem des Burj Khalifa entspricht, würde seine Spitze die mittlere Erdumlaufbahn übertreffen, in der GPS-Satelliten die Erde umkreisen.
«Diese Strukturen werden zerbrechlich und anfällig für winzige Störungen während der letzten Schritte ihrer Mikrofabrikation», sagt Alberto Beccari, Doktorand in Kippenbergs Labor und Erstautor der Arbeit, «wir mussten unser Herstellungsprotokoll völlig umgestalten, um sie ohne katastrophalen Zusammenbruch aufhängen zu können.»
Die gespannten Silizium-Nanoringe sind besonders interessant für quantenmechanische Experimente, bei denen ihre geringe Verlustleistung eine hervorragende Isolierung von Umgebungsstörungen bietet, was die Erzeugung von hochreinen Quantenzuständen ermöglicht.
« Seit langem bemüht sich die Grundlagenphysik darum, die Grössen- und Massenskalen von Objekten zu erforschen und zu erweitern, die quantenmechanisches Verhalten zeigen, bevor die immer stärker werdenden zufälligen 'Kicks' und Fluktuationen aus der heissen, verrauschten Umgebung sie dazu zwingen, sich nach den Gesetzen der Newtonschen Mechanik zu verhalten», sagt Beccari, «quantenmechanische Effekte wurden bereits mit mechanischen Resonatoren derselben Grösse und Masse bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt beobachtet.
«Darüber hinaus könnten diese Nanoringe als Präzisionskraftsensoren eingesetzt werden, da sie allen möglichen Wechselwirkungen ausgesetzt sind – zum Beispiel dem winzigen Strahlungsdruck von Lichtstrahlen, schwachen Wechselwirkungen mit Teilchen der dunklen Materie und Magnetfeldern, die von subatomaren Teilchen erzeugt werden.»
