17-07-2003
Extrem empfindlicher Nanosensor

Bewegungen mit einer Auslenkung von einem tausendstel Nanometer kann ein neuartiger Sensor registrieren, der mit einem Einzelelektronentransistor ausgerüstet ist. Ließe sich die Empfindlichkeit des Sensors noch um das Hundertfache erhöhen, so könnte man mit ihm makroskopische Quanteneffekte beobachten.

Der Sensor, den Robert Knobel und Andrew Cleland von der University of California in Santa Barbara hergestellt haben, enthält einen 3 Mikrometer langen Balken aus einkristallinem Galliumarsenid. Der Balken ist an beiden Enden fest eingespannt und schwingt mit einer Frequenz von 117 MHz. Auf dem Balken ist eine Elektrode befestigt, die über einen winzigen Kondensator mit der Gate-Elektrode eines Einzelelektronentransistors verbunden ist. Mit der Gate-Elektrode kann man den Strom der Elektronen steuern, die sich einzeln durch den Transistor bewegen. Diese Anordnung von Bauelementen wurde auf eine Temperatur von 30 Millikelvin abgekühlt.
 

Abb.: Sensor für tausendstel Nanometer: Die Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop zeigt den Halbleiterbalken (im Vordergrund) und den angeschlossenen Einzelelektronentransistor (Bildmitte). Der Maßstab ist 1 Mikrometer lang. (Quelle: UC SB).

Anschließend versetzten die beiden Forscher den Balken kontrolliert in Schwingungen, indem sie ihn in ein Magnetfeld brachten und einen schwachen elektrischen Strom durch die Balkenelektrode schickten. Die Bewegungen der Balkenelektrode führten dazu, dass elektrische Ladungen auf der Gate-Elektrode des Transistors induziert wurden. Diese Ladungen wiederum beeinflussten den Elektronenstrom durch den Transistor merklich. Da Einzelelektronentransistoren auf diese Weise noch ein Millionstel einer Elektronenladung nachweisen können, sind sie gegenwärtig die empfindlichsten Elektrometer.

Die hohe Empfindlichkeit des Transistors machte es möglich, noch extrem kleine Schwingungen des Balkens zu beobachten. Die Forscher verringerten den elektrischen Antriebsstrom in der Balkenelektrode schrittweise, bis die nachweisbare Schwingungsamplitude des Balkens nur noch wenige tausendstel Nanometer betrug.

Damit solch kleine Schwingungen nicht im thermischen Rauschen untergehen, mussten Knobel und Cleland ihren Sensor auf 30 Millikelvin abkühlen. Aufgrund der Wärmebewegung schwingt der Balken unablässig, auch ohne äußeren Antrieb. Die thermischen Schwingungen werden aber immer schwächer, je weiter man den Balken abkühlt, und verschwinden schließlich am absoluten Temperaturnullpunkt. Doch auch dann kommt der Balken nicht zur Ruhe, denn dies stünde im Widerspruch zur Heisenbergschen Unschärfebeziehung. Sie hat zur Folge, dass der Balken quantenmechanische Nullpunktsbewegungen ausführt und deshalb weiterhin schwingt.

Wie stehen die Chancen, die Nullpunktsbewegungen eines solchen winzigen Balkens zu beobachten, der aus quantenmechanischer Sicht durchaus ein makroskopisches Objekt ist? Zunächst muss der Balken tief genug abgekühlt werden, damit die thermischen Schwingungen "einfrieren". Dies lässt sich umso leichter erreichen, je höher die Schwingungsfrequenz des Balkens ist. Legt man eine Frequenz von 1 GHz zugrunde, so machen sich die thermischen Schwingungen unterhalb von 10 Millikelvin nicht mehr störend bemerkbar. Der Sensor müsste jedoch noch ungefähr hundertmal empfindlicher werden, um die quantenmechanische Nullpunktsbewegung des Balkens auch tatsächlich nachweisen zu können. Knobel und Cleland sind zuversichtlich, dass ein verbessertes Modell ihres Sensors das schaffen wird.

Rainer Scharf

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