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Nanotechnik: Lichtvibratoren im Winzformat

Den Platz an der Sonne suchen nicht nur wintermüde Urlauber. Auch Moleküle und nanometerkleine künstliche Strukturen rücken ins Helle, wenn sie mit unregelmäßigem Licht bestrahlt werden. Dieses Verhalten wollen Forscher in zukünftigen Nanoapparaten nutzen, um für Bewegung zu sorgen.
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Licht hat Kraft. Nicht nur, wenn es auf Solarzellen trifft und Elektronen aus den blau glitzernden Schichten schlägt. Nein, es vermag tatsächlich auf die gute alte mechanische Art an Gegenständen zu stoßen und zu ziehen. Ein Prozess, der uns im Alltag nicht auffällt, weil die Photonen für unsere Sinne viel zu schwach sind. In der Welt des Kleinsten, wo Wissenschaftler die Zukunft der Technik vermuten, spielen die Stöße des Lichts jedoch durchaus eine Rolle.

Zum einen übertragen Photonen, die von einem Material absorbiert oder reflektiert werden, wie Tennisbälle einen Teil ihres Impulses. Mit mikroskopischen Waagen haben Forscher diese Kräfte bereits vor Jahren experimentell vermessen. Die zweite große Kraftquelle des Lichts nutzen sie sogar schon, um verschiedenste Objekte damit zu untersuchen: In optischen Pinzetten halten sie winzige Kügelchen, Zellen oder DNA-Stränge gefangen, weil es diese auf fast magische anmutende Weise in das helle Zentrum eines ungleich intensiven Strahls zieht.

Winzige Dimensionen

Zwei Mechanismen lenken die Proben dabei an den Ort höchster Lichtintensität. Erstens fällt die Strahlung durch sie hindurch wie durch eine Linse. An den Grenzflächen wird es dabei abgelenkt, und beim Austritt stoßen sich die Photonen gewissermaßen ab, wobei ein Impuls übertragen wird. In einem unregelmäßig hellen Feld wandern auf diese Weise mehr Photonen im Material vom Hellen ins Dunkel und befördern das Objekt letztlich in Richtung zunehmender Strahlungsintensität. Zweitens regt das oszillierende elektrische Feld des Lichts in dem Material leichte Ladungsverschiebungen an, sodass auch noch eine elektrische Anziehungskraft in Richtung der hellen Strahlmitte entsteht.

Diese beiden Vorgänge würden Nanoforscher gerne für ihre Geräte nutzen, denn anders als der direkte Impulsübertrag wirken die oben beschriebenen Gradienten-Kräfte nicht einfach in Ausbreitungsrichtung des Lichts, sondern senkrecht dazu – und sind deshalb universeller einzusetzen. Nur bedeutet "Nano" eben, dass ein brauchbares Bauteil nicht größer sein sollte als ein paar milliardstel Meter. Keine leichte Aufgabe, in diesen Dimensionen zu basteln, zu leuchten und zu messen.

Schwingender FotoschaltkreisLaden...
Schwingender Fotoschaltkreis | Schema des entscheidenden Abschnitts der Messapparatur. Laserlicht tritt über eine der trichterähnlichen Strukturen ein, durchläuft je nach Versuch einen oder zwei Wege und verlässt den Aufbau wieder über die zweite Trichterstruktur. Unterwegs muss es durch den entscheidenden Lichtleiter, der im unteren Bildausschnitt vergrößert gezeigt ist. Über eine kurze Strecke hat der Lichtleiter hier keinen Kontakt zum Untergrund. Dadurch bekommt er genug Spielraum, sodass ihn die Kraft des ungleichmäßigen Lichtfeldes zum Vibrieren bringen kann.
Einem Team um Hong Tang von der Yale University in New Haven, Connecticut, ist dieses Kunststück dennoch gelungen. Sie benutzten dazu die übliche Technik zur Produktion von Mikrochips und ätzten das Herzstück ihrer Entwicklung gleich direkt in Silizium und Siliziumoxid. Im Wesentlichen handelt es sich dabei um einen schmalen Lichtleiter, der zwar 10 Mikrometer lang, aber nur 500 Nanometer breit und 110 Nanometer dick ist und sich frei schwebend über einen kleinen Abgrund erstreckt. Dadurch bleibt ihm ein gewisser Bewegungsspielraum, den die fest am Substrat sitzenden Teile nicht haben.

Schwingende Brücke

Der Trick der Wissenschaftler lag nämlich darin, den Lichtleiter nicht einfach nur als Leitung zu verwenden, sondern ihn gleichzeitig als bewegliches Element zu nutzen. Strömte intensives Laserlicht hindurch, gab es eine Rückkopplung des Feldes mit dem Trägermaterial am Grunde des Abgrunds, wodurch das Feld verformt wurde und eine ungleichmäßige Intensität aufwies. Auf die daraus entstehende mechanische Kraft konnte nur die Lichtleiterbrücke reagieren, die – wie es sich für eine Brücke gehört – zu schwingen begann.

Wie stark die Kraft ist und wie weit die Brücke ausgelenkt wird, hängt vor allem von ihrem Abstand zum Untergrund ab. Um 2,5 Nanometer wich sie in den Experimenten von ihrer Ruhelage ab. Nicht viel, aber weit mehr als genug, um im Muster der beiden Interferenzstrukturen, welche die Brücke flankierten, deutlich messbar zu sein.

Ein photonischer Nanoroboter wird sicherlich nicht so bald aus diesen Erkenntnissen erwachsen. Die Schritte auf dem Weg in das Nanozeitalter der Technik sind passenderweise mikroskopisch klein. Denn eines hat die Wissenschaft schon jetzt gelernt: Wer im Mikrokosmos mitreden will, muss so ziemlich alles anders machen als in der gewohnten Makrowelt.
48. Woche

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 48. Woche

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  • Quellen
Li, M. et al.: Harnessing optical forces in integrated photonic circuits. In: Nature 456(7221), S. 480–484, 2008.

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