Ein Stäbchen aus Silizium, weniger als ein Tausendstel Millimeter lang, von Laserstrahlen in Schwebe gehalten und in Rotation versetzt, wobei die Drehbewegung mit höchster Präzision dem Zeitsignal einer elektronischen Uhr folgt, haben Wiener Physiker entwickelt. Ihre Arbeit wurde nun im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.
Eigentlich habe man dieses Set-Up für andere Messungen aufgebaut und wollte Tests dafür machen, sagte Stefan Kuhn von der Fakultät für Physik der Universität Wien gegenüber der APA. Dabei habe man aber die besonderen Eigenschaften dieses Mechanismus beobachtet und „schnell gemerkt, dass das sehr interessant ist“.
Rotation durch Laserbestrahlung
Die Wissenschaftler verwendeten für ihre Nano-Uhr ein winziges, weniger als ein Tausendstel Millimeter langes Stäbchen aus Silizium als „Zeiger“. Dieses wird im Vakuum in einer optischen Falle mittels Laserlicht in Schwebe gehalten. Dabei handelt es sich um einen speziell präparierten Laserstrahl: „Wir schalten abwechselnd zwischen zirkular polarisiertem und linear polarisiertem Licht hin und her“, so Kuhn.
Jedes zirkular polarisierte Lichtteilchen (Photon), das am Stäbchen gestreut wird, überträgt dabei ein kleines Drehmoment und versetzt den „Zeiger“ dadurch in Drehung. Bei linear polarisiertem Laserlicht wird die Drehbewegung des Stäbchens durch Zusammenstöße mit den trotz Vakuum in der Versuchsumgebung verbleibenden Gasmolekülen gedämpft.
Von der Nano-Uhr zum Patent
Mit welcher Frequenz zwischen den beiden Polarisationsarten hin und her geschaltet wird, wird von einer elektronischen Uhr vorgegeben. Obwohl die Drehbewegung des mehr als eine Million mal pro Sekunde rotierenden Uhrzeigers aufgrund seiner komplexen Dynamik im Allgemeinen chaotisch ist, gibt es Frequenz-Bereiche, in denen es zu einer sehr stabilen Rotation kommt. Diese Rotation ist so stabil, dass die Nano-Uhr gegenüber der impulsgebenden elektronischen Uhr in vier Tagen nur ein Millionstel einer Sekunde verloren hat.
Weil der Nano-Uhrzeiger mit seiner Umgebung interagiert, könnte er bei hohen Rotationsraten als Drucksensor für sehr präzise und lokale Messungen von Druckveränderungen eingesetzt werden. Bei geringen Umdrehungsraten ließen sich damit neue Experimente zur Quantenmechanik rotierender Objekte durchführen. Die Wissenschaftler haben sich das System jedenfalls patentieren lassen.