Caltech Lasersensor misst Femtometer-Bewegungen

Einen winzigen Bewegungssensor, der rund 1000-mal sensibler als aktuelle Geräte ist, haben Wissenschaftler des California Institute of Technology entwickelt.

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Bewegungs- und Beschleunigungssensoren sind in vielen elektronischen Systemen integriert, vom Airbag bis zum Smartphone. Üblicherweise wird dabei die Bewegung einer flexibel aufgehängten Masse elektronisch erfasst.

Der von Professor Oskar Painter und seinem Team entwickelte Sensor der nächsten Generation funktioniert anders. Zwar gibt es auch hier eine flexibel aufgehängte Masse, die sogenannte proof mass. Doch ihre Bewegung wird von einem Laserstrahl ausgelesen.

Entscheidendes Element ist ein optischer Hohlraum, bestehen aus zwei nanoskaligen Silizium-Auslegern. Einer davon ist an der proof mass befestigt. Der Laserstrahl wird von den Auslegern in den Hohlraum geleitet, wo er zwischen den beiden Nanobeams hin- und herreflektiert wird. Bei Bewegung der proof mass verändert sich der Abstand der Nanobeams, was vom Laser erfasst wird.

Das System ist so sensibel, dass es sogar eine Auslenkung der proof mass von einigen wenigen Femtometern – etwa der Durchmesser eines Protons – erfassen kann. Auch die zeitliche Auflösung der Messungen liegt rund tausendmal höher als bei aktuellen Sensoren.

Ein unerwarteter, aber höchst willkommener Nebeneffekt des Laserstrahls ist, dass er die Eigenbewegung der proof mass dämpft und damit auch das thermische oder mechanische Rauschen des Sensors.

Durch diese Eigenschaften könnte zum Beispiel die Indoor-Navigation per Smartphone sehr viel genauer werden. Bis entsprechende Sensoren auf den Markt, düften aber noch einige Jahre vergehen. Ein noch zu überwindendes Problem ist die Integration des Lasers in den silizumbasierten nanoskaligen Sensor.

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