Untersuchung der lichtinduzierten Anziehungskraft zwischen zwei Metallkörpern im Subwellenlängenabstand
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Projektlaufzeit wurde die Nanokraftmesseinrichtung der PTB erfolgreich erweitert, um mit ihr Experimente zur Messung der theoretisch vorhergesagten lichtinduzierten Kraft durchführen zu können. Die Ergebnisse der ersten Messungen zeigten Indizien für eine Bestätigung der vorhergesagten lichtinduzierten Kraft und deren Abstandsabhängigkeit. Der Vergleich zwischen Theorie und experimentellen Ergebnissen zeigt, dass die lichtinduzierte Kraft wie von der Theorie vorhergesagt für subwellenlängen Abstände zunimmt. Überraschenderweise lag diese Zunahme allerdings ein bis zwei Größenordnungen über der theoretischen Vorhersage. Auch zeigte sich eine interessante Zunahme der Kraft für Spaltbreiten > λ. Weitere Messungen bzw. theoretische Betrachtungen in einem möglichen Nachfolgeprojekt könnten hier zu einem besseren Verständnis der Ergebnisse, sowie zu einer Verbesserung der theoretischen Vorhersagen für Spaltbreiten > λ/π beitragen. Bei Analyse der Messergebnisse ergaben sich zudem auch einige Überraschungen, die eine weitere Verbesserung des experimentellen Aufbaus erstrebenswert machen. Bei subwellenlängen Plattenabständen zeigte sich, dass bei der Reduzierung der Rotationen des Scheibenpendels noch Verbesserungspotential vorhanden ist. Die noch vorhandenen Rotationschwingungen verfälschen die Kraftmessung durch Kontakt der Platten für einen Abstand < 0,5 µm. Zudem erschweren die Schwingungen eine Bestimmung des Kontaktpunktes der beiden Platten. Da die lichtinduzierte Kraft durch die Ausnutzung der Polarisationsabhängigkeit gemessen wird, sollte sichergestellt werden, dass für beide Polarisationsrichtungen die Laserstrahlung an der gleichen Position in den Spalt eingestrahlt wird. Durch Auswertung des reflektierten Anteils der Laserstrahlung zeigte sich eine zeitliche Änderung sowohl über die ganze Experimentdauer, als auch während eines Annäherungszyklus der Probenplatte. Die Ursachen sind noch nicht verstanden, würden aber zu einer signifikanten Verbesserung des Experiments führen. Um diesen Effekt zu minimieren, sollte die Rotation der Polarisation statt mit mechanischen Mitteln durch eine elektrooptische Lösung ersetzte werden, um die Einflüsse durch die Änderung der Laserspotposition in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung zu eliminieren. Eine weitere Verbesserung des Experiments könnte durch die Nutzung kleinerer Platten mit höherer Oberflächenqualität erreicht werden. Erste Platten mit einer maximalen Kantenlänge von vier Millimetern zeigten keine für das Experiment relevante Verbiegung. Durch Identifizierung der Verunreinigungsquelle im Herstellungsprozess sollte es dann auch möglich sein, Platten herzustellen, die eine akzeptable Oberflächenqualität besitzen, damit keine Partikel auf der Oberfläche bei der Annäherung der Platten stören. Für ein besseres Verständnis der thermischen Einflüsse und für einen Vergleich mit den theoretischen Abschätzungen, wäre zudem das Anbringen eines Temperatursensors in der Näher oder direkt auf der Probenplatte wünschenswert. Trotz einiger Überraschungen in den Messergebnissen und Identifizierung von einigen Möglichkeiten zur Verbesserung des experimentellen Aufbaus, lässt sich insgesamt schließen, dass Indizien für die theoretisch vorhergesagte lichtinduzierte Kraft gefunden werden konnten, wenn auch noch nicht alle Einflussgrößen befriedigend zu erklären waren. Weitere Untersuchungen zur lichtinduzierten Kraft würden zu einem besseren Verständnis der Kraft beitragen und so den Weg bereiten für die Anwendung der lichtinduzierten Anziehungskraft zur Manipulation von metallischen Makro-, Mikro- und Nanoobjekte im Vakuum, Luft oder in Flüssigkeiten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2016, “Experimental setup for the direct measurement of a light induced attractive force between two metal bodies”, Proceedings of SPIE Optics + Photonics, San Diego, Calif., 28, August - 01, September 2016, USA
Nies D, Bütefisch S, Naparty D, Wurm M, Belai O, Shapiro D and Nesterov V
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2016, “Optical field at the subwavelength slit”, Optics Express 24 15977-15982
Shapiro D, Nies D, Belai O, Wurm M and Nesterov V
