Rotierender Nanozeiger: Forscher haben eine nanomechanische Uhr der besonderen Art konstruiert. Sie verknüpften ein winziges, im Laserlicht schwebendes Nanostäbchen mit einer elektronischen Uhr. Der von Lichtpulsen angetriebene Miniaturzeiger folgt dadurch dem Zeitsignal mit erstaunlicher Präzision: In vier Tagen geht nur eine Millionstel Sekunde verloren, wie die Physiker im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.
Die genaue und stabile Messung der Zeit ist nicht nur für unseren Arbeitstag oder die Terminplanung wichtig. Sie bildet auch die Basis für viele Technologien – von der Ortung per GPS bis hin zum Internet. Seit gut 50 Jahren dienen dabei Atomuhren als Taktgeber. Sie messen die Zeit über die Schwingungen ultrakalter Atome. Neueste Atomuhren auf Basis von Strontium- oder Ytterbium-Atomen könnten Milliarden Jahre lang laufen, ohne auch nur eine Sekunde falsch zu gehen.
Von der Uhr zur Bewegung
Doch so genau diese Zeitmessungen auch sind: Einige Anwendungen erfordern, dass der Takt dieser Uhren auf mechanische Bauteile übertragen wird. Dies kann beispielsweise dazu dienen, externe Einflüsse wie Vibrationen, einen Gasstrom oder den Strahlungsdruck zu messen. Sogar das eher schwerfällige Pendel einer Standuhr beispielsweise kann im Vergleich zu einer Referenzuhr die Anwesenheit und Stärke äußerer Einflüsse verraten.
Im Mikromaßstab können solche Zeiger oder Pendel als Sensoren dienen. „Dafür ist es nötig, eine Art ‚Getriebe‘ zu konstruieren, das mit dem Zeitgeber synchronisiert wird und den atomaren Takt auf ein mechanisches System oder ein Lichtfeld überträgt“, erklären Stefan Kuhn von der Universität Wien und seine Kollegen. Ein solches System, bei dem eine elektronische Uhr mit einem hin- und herschwingenden Nanostäbchen gekoppelt ist, haben die Forscher nun konstruiert.
Im Laserstrahl schwebendes Stäbchen
Für ihre Nanouhr produzierten die Forscher zunächst mit hoch entwickelten Ätzverfahren reinste Silizium-Stäbchen von weniger als einem Mikrometer Länge. Ein solches Stäbchen fingen sie in zwei Laserstrahlen so ein, dass es in einer stehenden Welle angehoben wurde und in der Luft schwebte. Durch Laserpulse, die periodisch ihre Polarisation wechseln, versetzten die Physiker dieses Stäbchen dann in Rotation.
Das Besondere daran: Der Takt der Laser und damit auch die Rotationsfrequenz des Stäbchens war mit einer elektronischen Uhr gekoppelt. Wie ein winziger Uhrenzeiger rotierte der Minizeiger stabil im Takt dieser Uhr – und dies mit einer Frequenz von mehr als einer Million Mal pro Sekunde. „Damit demonstrieren wir, dass ein optisch gefangenes Silizium-Nanostäbchen mit einer externen Uhr verknüpft werden kann“, so die Forscher.
Präziser Takt und sensibler Sensor
Der Nanozeiger dieser schwebenden Uhr ging dabei bemerkeneswert genau: „Unsere Uhr hat in vier Tagen gerade einmal ein Millionstel einer Sekunde verloren“, berichtet Kuhns Kollege James Millen. „Es ist erstaunlich, dass wir ein elektronisches Signal nehmen und damit die Bewegung eines physikalischen Objekts perfekt kontrollieren können, ohne dabei an Stabilität zu verlieren.“
Der große Vorteil an diesen Konstrukt: Anders als die elektronische Uhr kann das Stäbchen mit seiner Umgebung interagieren. Die Präzision des nanomechanischen Uhrzeigers kann daher für präzise lokale Messungen verwendet werden – zum Beispiel um Druckänderungen über sehr kurze Distanzen mit hoher Genauigkeit zu messen.
„Bei hohen Rotationsraten ist dies ein Sensor mit erstaunlicher Präzision“, sagt Koautor Markus Arndt von der Universität Wien. „Bei niedrigen Frequenzen könnte dieses System jedoch eine Reihe ganz neuer Experimente zur Quantenmechanik rotierender Objekte ermöglichen.“ (Nature Communications, 2017; doi: 10.1038/s41467-017-01902-9)
(Universität Wien, 22.11.2017 – NPO)
