Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Daniel Platz und Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der Technischen Universität Wien, mit den Doktoranden Ioan Ignat und MinHee Kwon als Hauptbeteiligte, einen bedeutenden Durchbruch bei der Miniaturisierung und Präzision nanomechanischer Systeme erzielt. Sie haben erfolgreich einen Plattenkondensator mit einem Rekordspalt von nur 32 Nanometern entwickelt, der die Grundlage für zukünftige hochauflösende Präzisionssensoren wie Rasterkraftmikroskope bildet. Die zugehörigen Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Advanced Materials Technologies“ veröffentlicht.

Herkömmliche optische Messtechniken sind zwar präzise, aber ihre optischen Pfade sind komplex, empfindlich und schwer in tragbare Geräte zu integrieren. Um dieses Problem zu lösen, wandte sich das Team der Entwicklung elektrischer und rein mechanischer Nano-Resonatorplattformen zu. Ihr Kernstück ist ein winziger Kondensator, bestehend aus einer beweglichen Aluminiummembran und einer festen Elektrode, mit einem Rekordspalt von nur 32 Nanometern. Dieser Kondensator bildet in Kombination mit einer Induktivität einen elektrischen Resonanzkreis, dessen Resonanzfrequenz äußerst empfindlich auf winzige mechanische Schwingungen der Membran reagiert. Durch die Messung der Schaltkreisantwort anstelle eines optischen Signals erreichte das Team eine ultrapräzise elektrische Auslesung der Nanoschwingungen. Die Rauscheigenschaften des Systems haben bereits ein Niveau erreicht, das nur durch die grundlegenden Prinzipien der Quantenphysik begrenzt ist – und dies ohne sperrige optische Komponenten.

Die Forschung zeigt weiter, dass der elektrische Resonanzkreis nicht die einzige Lösung ist. Das Team nutzte eine andere, auf dem Chip integrierte rein mechanische Resonatorstruktur und erreichte ebenfalls eine Schwingungskopplung und -messung. Aus quantentheoretischer Sicht sind elektromagnetische und mechanische Schwingungen mathematisch äquivalent beschreibbar, daher besitzen auch rein mechanische Systeme das Potenzial für Quantensensorik. Besonders wichtig ist, dass diese mechanische Plattform im Gigahertz-Frequenzbereich selbst bei Raumtemperatur effektiv koppeln kann, ohne von thermischem Rauschen überdeckt zu werden. Dadurch entfällt die strenge Anforderung vieler Quantensensorik-Technologien, bei extrem tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt arbeiten zu müssen.

Diese Forschungsergebnisse markieren einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu praktischen, hochpräzisen nanomechanischen Systemen für die Quantensensorik. Die entwickelten kompakten, robusten und hochpräzisen Nanostrukturen bieten eine ideale Hardware-Plattform für die Herstellung einer neuen Generation von Rasterkraftmikroskop-Spitzen. In Zukunft könnten diese Technologien die Oberflächenabbildung und Kraftmessung mit einer bisher unerreichten, quantenbegrenzten Genauigkeit ermöglichen. Wie die Forscher sagen: „Das Tor zur Quantenwelt ist geöffnet.“ Dieser Durchbruch erweitert nicht nur die Grenzen der Messtechnik, sondern eröffnet auch völlig neue Möglichkeiten für den Einsatz von Quantensensorik in einer breiteren Umgebung.

Veröffentlichungsdetails: Autoren: Ioan Ignat et al., Titel: „Nanoelectromechanical Systems with High-Aspect-Ratio Superconducting Vacuum-Gap Capacitors Featuring Plate Spacings as Low as 32 nm“, erschienen in: „Advanced Materials Technologies“ (2025). Zeitschrifteninfo: „Advanced Materials Technologies“