PORTLAND — Wissenschaftler der Uni Boston haben mit einem kammartigen 1,5-GHz-Silizium-Baustein das bislang schnellste nano-elektromechanische System (NEMS) geschaffen. Konkrete Anwendungen gibt es noch nicht –aber der Effekt ist verblüffend.

Nach Quanten-Maßstäben ist der Oszillator ein wahrer Gigant: Laut dem Forscherteam unter Leitung von Professor Pritiraj Mohanty erzeugt die Schwingung der Kammzähne die größte quantenmechanische Bewegung, die bisher gemessen wurde. Dabei springen die Zähne zwischen zwei diskreten Positionen, ohne dass der Raum zwischen diesen beiden Punkten tatsächlich 'durchquert' würde.

"Wir sind davon überzeugt, dass unser System ein echtes makroskopisches Quantensystem ist. Da es sich jedoch um ein neues Phänomen handelt, ist man gut beraten, wenn man seine Erwartungen nicht an herkömmliche Weisheiten knüpft. Die Philosophie lautet deshalb: Lassen wir die Daten für sich sprechen", erklärt Alexei Gaidarzhy, einer der Wissenschaftler in Mohantys Gruppe.

Entwickler kennen bereits das Quanten-Tunneling von Elektronen. Dabei 'verschwinden' die Elektronen von der Halbleiterseite eines extrem dünnen Nano-Oxids und tauchen auf der Metallseite wieder auf, ohne das Oxid selbst passiert zu haben. Doch dieses Phänomen - wie bei auch alle anderen bis heute entdeckten quantenmechanischen Materialverhalten - existiert bislang nur in mikroskopischen Maßstäben.

Verglichen mit der Größe eines einzelnen getunnelten Elektrons ist der 10,7 Mikron lange Silizium-Block zweifellos makroskopisch. Der Siliziumkamm enthält mehr als eine Milliarde Atome, jedes davon mit eigenem Elektronenorbit. Das untermauert die Behauptung des Forscherteams, die größte Quantenbewegung der Welt erzeugen zu können.

Auch bei der Geschwindigkeit liegen die Bostoner Wissenschaftler vorn. Nach ihren Angaben konnte ein anderes Forscherteam bislang nur NEMS-Bausteine mit 1,02 Gigahertz zeigen.

Um den Silizium-Block mit 1,5 GHz zum Schwingen zu bringen, wurde dieser bei einer Temperatur von 110 Millikelvin tiefgefroren. Bei derartigen Temperaturen ermöglicht die quantenmechanische Schwingung dem Block ein Springen zwischen zwei diskreten Positionen, ohne den dazwischen liegenden Raum zu belegen. Ein vollkommen mit Kupfer ausgekleideter Bereich schirmt dabei den Baustein von elektromagnetischer Strahlung ab. Stoßdämpfer isolieren zudem die Plattform vor Schwingungen der Bostoner U-Bahn.

Der Siliziumblock besteht aus zwei antennenähnlichen Vorsprüngen auf jeder Seite und erinnert an einen Kamm mit zwei seitlichen Zahnreihen. Die Kammzähne sind 500 Nanometer lang und ragen auf jeder Seite um 200 Nanometer heraus. Wenn der Block in Schwingung gerät, vibrieren diese Zähne gemeinsam und erzeugen so einen Sprung zwischen zwei Positionen, die nur ein Femtometer voneinander entfernt sind. Die gemeinsame Bewegung bringt den Kamm in der gleichen Frequenz zum Schwingen und erzeugt wiederum einen messbaren Abstand von 0,1 Pikometer. Das entspricht einem hundertfachen Anstieg der mechanischen Amplitude.

Die Gruppe geht davon aus, dass derartige quantenmechanische Bausteine irgendwann einmal in normalen Chips stecken werden - vergleichbar mit heutigen Quanten-Tunneling-Komponenten. Auch den Einsatz in modernen Computer-Designs, die auf den Prinzipen von Quanten-Computern basieren, halten die Bostoner Wissenschaftler für denkbar.