Forscher entwickeln schwebende Nano-Uhr

Ein von Laserstrahlen in Schwebe gehaltenes Stäbchen, das sich wie der Zeiger einer Uhr dreht: Eine solche Nano-Uhr haben nun Wiener Physiker in ihrem Labor gebaut.

Eigentlich hatten die Forscher um Stefan Kuhn dieses Set-Up für andere Messungen aufgebaut und wollten damit bloß ein paar Tests anstellen. Dabei wurde ihnen aber schnell bewusst, „dass das sehr interessant ist“, erzählt der Physiker von der Uni Wien.

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.

Licht als Taktgeber

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 Gasmolekülen hingegen gedämpft.

James Millen/Universität Wien

Mit welcher Frequenz zwischen den beiden Polarisationsarten hin und her geschalten 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.

Anwendung: Drucksensor

Weil der Nano-Uhrzeiger mit seiner Umgebung interagiert, könnte er bei hohen Rotationsraten als Sensor für sehr präzise 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.

science.ORF.at/APA

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