Elektromechanische Sensoren Quantensensoren für Rasterkraftmikroskope sind im Chip integriert

Kompakt statt aufwendig: Forscher der TU Wien haben einen Kondensator mit nur 32 Nanometer Elektrodenabstand entwickelt, der sich vollständig in Chips integrieren lässt. Damit lassen sich komplexe optische Messsysteme durch elektrische Schwingkreise ersetzen.

Die Sensortechnik steht vor einem bedeutsamen Wendepunkt: Forschern der TU Wien ist es gelungen, einen Plattenkondensator mit einem Weltrekord-Elektrodenabstand von nur 32 nm zu entwickeln. Das wäre mehr als eine bedeutende Miniaturisierung. Damit wird der Weg für eine neue Generation hochpräziser Sensoren geebnet, die ohne aufwendige optische Komponenten auskommen und dabei Messgenauigkeiten erreichen, die nur noch durch die Gesetze der Quantenphysik begrenzt werden.

Gerade für Entickler interessant ist der paradigmatische Ansatz des Forschungsteams um Daniel Platz und Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme. Statt auf bewährte, aber komplexe optomechanische Systeme zu setzen, nutzen die Wissenschaftler elektrische Schwingkreise zur Auswertung mechanischer Vibrationen. „Unsere Aluminiummembran bildet zusammen mit einer Elektrode einen winzigen Kondensator. In Kombination mit einer Spule entsteht ein Schwingkreis, dessen Resonanz sehr empfindlich auf jede Veränderung der mechanischen Schwingung reagiert“, erklärt Platz das Funktionsprinzip.

Vorteile für die Rasterkraftmikroskopie

Dank der Technik sind erhebliche Vorteile für die Praxis möglich: Während konventionelle optomechanische Experimente aufwendige, störungsanfällige optische Aufbauten erfordern, die sich nur schwer in kompakte Systeme integrieren lassen, ermöglicht der elektromechanische Ansatz deutlich robustere und miniaturisierbare Anwendungen. Besonders für die Rasterkraftmikroskopie, wo bisher optische Komponenten zum Auslesen von Vibrationen einer Messspitze verwendet werden, eröffnet sich dadurch neues Potenzial. „Wir ersetzen optische Messungen durch die Messung des elektrischen Schwingkreises und das ganz ohne sperrige optische Komponenten“, betont Ioan Ignat, einer der beteiligten Doktoranden.

Ein weiterer Durchbruch gelang dem Team mit rein mechanischen Resonatorstrukturen, die sich vollständig in Chips integrieren lassen. „Aus Sicht der Quantentheorie spielt es gar keine entscheidende Rolle, ob man mit elektromagnetischen Schwingungen arbeitet oder mit mechanischen Vibrationen. Aus mathematischer Sicht lässt sich beides gleich beschreiben“, erläutert MinHee Kwon, die ebenfalls an ihrer Dissertation zu dem Projekt arbeitet.

Industrielle Anwendungen bei Raumtemperatur

Für die industrielle Anwendung besonders bedeutsam ist die Tatsache, dass die entwickelten Strukturen bei Raumtemperatur funktionieren. Während bisherige Quantensensorik-Experimente oft eine Kühlung auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt erfordern, ermöglicht die neue Entwicklung Quanteneffekte unter normalen Betriebsbedingungen. „Selbst bei Raumtemperatur lassen sich die Schwingungen eines rein mikromechanischen Systems über einen GHz-Frequenzbereich miteinander koppeln, ohne dass thermisches Rauschen die Effekte der Kopplung überdeckt“, sagt Platz.

Die Forschungsergebnisse zeigen das Potenzial für eine neue Klasse von Sensoren auf, die sowohl in der Präzisionsmesstechnik als auch in industriellen Anwendungen zum Einsatz kommen könnten. Die Kombination aus extremer Miniaturisierung, Verzicht auf optische Komponenten und Raumtemperaturbetrieb macht diese Technologie für Elektronikentwickler zu einer vielversprechenden Alternative zu bestehenden Lösungen. „Unsere Ergebnisse stimmen uns extrem optimistisch für die Zukunft“, resümiert Daniel Platz. „Wir konnten nun zeigen, dass unsere Nano-Strukturen wichtige Eigenschaften haben, die man für die Herstellung einer neuen, zuverlässigen, hochpräzisen Generation von Quanten-Sensoren braucht.“ (heh)

Hardware mit Ionenfallen

Quantencomputer mit in den Chip integrierter Photonik

(ID:50685012)