Schon ein einzelnes Elektron genügt, um die Schwingungen eines frei schwingend aufgehängten Nanoröhrchens zu beeinflussen. Wie und in welchem Maße haben nun erstmals niederländische Forscher mithilfe einer Nano-Violinsaite ermittelt. Ihre jetzt in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift „Science“ veröffentlichtes Experiment liefert wichtige Informationen auch für Nanobauteile der Zukunft.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen gelten als Bausteine der Zukunft, denn sie sind klein, flexibel und können in fast maßgeschneiderten Eigenschaften produziert werden. Besonders spannend ist es, wenn die Nanoröhren nicht auf einem Material aufliegen, sondern frei schwingend aufgehängt werden. Dann können sie in extrem hohen Frequenzen vibrieren und dabei neue Quanteneffekte hervorrufen.
Schwingend wie eine Violinsaite
Nanoforscher der technischen Universität Delft in den Niederlanden haben nun ein Nanoröhrchen von nur 800 Nanometern Länge so zwischen zwei Blöcken aufgehängt, dass es ungestört vibrieren kann. Dann legten sie ein alternierendes elektrisches Feld an das Röhrchen an und brachten es so zum Schwingen –ähnlich einer Nano-Violinsaite. Das gesamte Experiment fand im ultrakalten Milieu statt – bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
Den Wissenschaftlern um Gary Steele gelang es dabei, die Anzahl der Elektronen, die sich auf dem Röhrchen befanden gezielt zu variieren. Je nach Elektronenanzahl veränderte sich dabei das Vibrationsverhalten und damit auch die Frequenz der Schwingungen leicht. Durch Ausmessen dieser winzigen Änderungen konnten die Forscher sogar feststellen, welchen Einfluss nur ein einziges Elektron auf das Röhrchen hatte.
Erkenntnisse für zukünftige NEMS
Versuche wie dieser bilden wichtige Grundlagen nicht nur für das theoretische Wissen um das Verhalten von Nanoröhrchen, sondern auch für die Entwicklung von Nanoelektromechanischen Systemen, den so genannte NEMS. Diese umfassen winzige Motoren, Schalter oder Instrumente, die als Nanobauteile eingesetzt werden könnten.
Sie gelten als die logischen Nachfolger der etwas größeren Mikroelektromechanischen Systeme (MEMS), die heute bereits in vielen Anwendungen genutzt werden, wie beispielweise den Bewegungssensoren von Airbags in Autos. Im Zuge der immer weiter gehenden Miniaturisierung ist es auch hier das Ziel, eines Tages solche Bauteile auf den Nanomaßstab zu schrumpfen.
(Technische Universität Delft, 28.07.2009 – NPO)
