Gitarrensaiten im Nanomaßstab - wissenschaft.de
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Gitarrensaiten im Nanomaßstab

Wie die Saiten einer Gitarre konnten amerikanische Physiker gezielt einzelne Nanoröhrchen in Resonanzschwingungen versetzen. Mit Frequenzen zwischen 3 und 200 Megahertz ergeben sich zwar keine hörbaren Töne, aber solche Nanoresonatoren könnten wie ihre tausendfach größeren schwingenden Mikrosysteme zu zahlreichen elektronischen Anwendungen wie Uhren, Radioreceivern und extrem genauen Messverfahren führen. Die Eigenschaften dieses ersten Röhrchen-Resonatoren erläutern die Forscher in der Fachzeitschrift „Nature“. (Vol. 431, S. 284)

„Solche nanoelektromechanischen (NEMS) Oszillatoren wurden bereits für ultrasentive Massenspektrometer, für die Verarbeitung von Radiofrequenzen und zur Erkundung von Quantenphänomenen in markoskopischen Systemen vorgeschlagen“, berichten Vera Sazonova und ihre Kollegen von der Cornell University in Ithaca. Wegen ihrer großen Festigkeit, dem extrem guten Stromleitungseigenschaften und ihrer gleichmäßigen Struktur gelten die wenige Nanometer dicken Hohlkörper als ideale Kandidaten für solche Nanoresonatoren. Doch trotz vieler Ansätze gelang dieser Schritt nun erst der renommierten Nanoröhrchen-Arbeitsgruppe um Paul McEuen.

Festgehalten zwischen zwei winzigen Goldelektroden konnten die Forscher die ein bis zweiwandigen Röhrchen über elektrostatische Abstoßungskräfte in Bewegung versetzen. Dazu ließen sie einerseits durch das Röhrchen, andererseits durch eine darunter verlaufende Gate-Elektrode wechselnde Spannungen um die zwei Volt fließen. In Resonanz schätzten sie die Auslenkungen der knapp zwei Mikrometer langen Röhrchen auf rund einen halben Nanometer ab. Dabei wirkten Kräfte im Femtonewton-Bereich. „Die ultimative Grenze für diese Kraft-Sensibilität wird einzig durch die thermischen Vibrationen des Röhrchens gesetzt“, so Sazonova.

Da die besten Prototypen dieses Resonators selbst im Vakuum nach nur 200 Schwingungen die Hälfte ihrer Schwingungsenergie einbüßten, ist an einen Anwendung dieser NEMS-Module noch nicht zu denken. Die Lösung dieses Problems könnte jedoch in einer geringeren Verunreinigung der Röhrchen-Oberfläche liegen. McEuen und Kollegen planen dazu weitere Experimente. Damit würde die Palette von nanoelektronischen Modulen aus Kohlenstoffröhrchen, die heute schon von Transistoren über Dioden bis zu Laserkomponenten reicht, um die bedeutenden Nanoresonatoren erweitert werden.

Jan Oliver Löfken
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