Spiegel spürt winziges Teilchen auf

Der Einsatz schwebender Nanoteilchen als Sensoren war bisher durch die Präzision der Positionsmessungen beschränkt. Nun haben Forscher*innen um Tracy Northup an der Universität Innsbruck eine neue Methode präsentiert, bei der für die Positionsbestimmung mittels optischer Interferometrie das Licht des Teilchens von einem Spiegel reflektiert wird. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für den Bau von Sensoren.

Schwebende Nanoteilchen sind vielversprechende Kandidaten für neue Sensoren zur Messung extrem schwacher mechanischer, biologischer und chemischer Kräfte. Sie könnten sogar zur Überprüfung der Grundlagen der Quantenphysik dienen. Solche Anwendungen erfordern jedoch eine sehr präzise Positionsmessung. Forscher*innen am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck haben nun im Labor eine neue Methode entwickelt, mit welcher die Position eines schwebenden Nanoteilchens effizienter bestimmt werden kann.

„Normalerweise messen wir die Position mittels optischer Interferometrie. Bei der neuen Technik wird ein Teil des von einem Nanoteilchen gestreuten Lichts mit dem Licht eines Referenzlasers verglichen“, erklärt Lorenzo Dania, PhD-Student in der Forschungsgruppe von Tracy Northup. „Ein Laserstrahl hat jedoch eine ganz andere Form als die von einem Nanoteilchen emittierte Lichtwelle, die so genannte Dipolstrahlung.“ Dieser Unterschied beschränkt die Messgenauigkeit der aktuellen Methode.

Interferenz mit dem Spiegelbild

Die von Tracy Northup und ihrem Team an der Universität Innsbruck vorgeführte Methode umgeht diese Einschränkung, indem sie den Laserstrahl durch das von einem Spiegel reflektierte Licht des Teilchens ersetzt. Diese Technik baut auf einer Methode zur Beobachtung von Barium-Ionen auf, die in den vergangenen Jahren von Rainer Blatt und seinem Team ebenfalls an der Universität Innsbruck entwickelt wurde.

Im letzten Jahr haben die Forscher*innen der beiden Teams vorgeschlagen, diese Methode zu erweitern und auf Nanoteilchen anzuwenden. Mit einem in einer elektromagnetischen Falle schwebenden Nanoteilchen konnten sie nun zeigen, dass diese Methode andere, dem Stand der Technik entsprechende Nachweisverfahren übertrifft. Das Ergebnis eröffnet neue Möglichkeiten, schwebende Teilchen als Sensoren, beispielsweise zur Messung extrem kleiner Kräfte, einzusetzen und die Bewegung der Teilchen in Bereiche zu kühlen, die von der Quantenmechanik beschrieben werden.

Finanzielle Unterstützung für die Forschung kam unter anderem von der Europäischen Union sowie vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und dem Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft und Forschung.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Tracy Northup
Institut für Experimentalphysik
Universität Innsbruck
t +43 512 507 52463
m tracy.northup@uibk.ac.at
http://www.uibk.ac.at/exphys/quantum-interfaces/

Originalpublikation:

Position measurement of a levitated nanoparticle via interference with its mirror image. Lorenzo Dania, Katharina Heidegger, Dmitry S. Bykov, Giovanni Cerchiari, Gabriel Araneda, Tracy E. Northup. Phys. Rev. Lett. 129, 013601
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.013601
[https://arxiv.org/abs/2112.14990]

Weitere Informationen:

https://physics.aps.org/articles/v15/s89 – Physics Synopsis: Mirror Image Pinpoints a Nanoparticle’s Position
http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.104.053523 – Position measurement of a dipolar scatterer via self-homodyne detection. G. Cerchiari, L. Dania, D. S. Bykov, R. Blatt, and T. E. Northup. Phys. Rev. A 104, 053523 (2021)

http://www.uibk.ac.at