Nano-Magnetometrie mit koresonant gekoppelten mechanischen Oszillatoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Projektes "Nano-Magnetometrie mit koresonant gekoppelten mechanischen Oszillatoren" wurden hochempfindliche Kraftsensoren auf der Basis von gekoppelten mechanischen Oszillatoren entwickelt, präpariert, charakterisiert und hinsichtlich ihrer physikalischen Grenzen untersucht. Kernstück der gekoppelten Schwingungssysteme sind einseitig eingespannte Nanodrähte. Die Projektergebnisse umfassen: Wir haben Verfahren entwickelt, um Nanodrähte und Mikro-Cantilever miteinander zu koppeln und die Eigenfrequenzen der beiden Teilsysteme mit einer Genauigkeit von besser als einem Prozent aneinander anzupassen. Das Verhältnis der individuellen Federkonstanten für Biegeschwingungen für Cantilever und Nanodraht überschreitet dabei fünf Größenordnungen. 1) Wir messen die Resonanzen des gekoppelten Systems optisch am Mikro-Cantilever und nutzen dafür die thermischen Schwingungen. Mittels elektrostatischer Interaktion können wir die gekoppelten Moden durchstimmen und "Avoided level crossing" bzw. "Anticrossing" beobachten. Die optische Messung am Cantilever kann mit einem konventionellen Rastersondenmikroskop erfolgen. 2) Wir können experimentell und auch analytisch zeigen, dass der durch thermisches Rauschen begrenzte minimal messbare Kraftgradient beim koresonant gekoppelten Schwingungssystem vergleichbar dem vom isolierten Nanodraht-Oszillator ist. 3) Mit den von uns präparierten gekoppelten Sensoren können wir beispielsweise Kraftgradienten von 10^-9 Nm^-1Hz^-1/2 messen. 4) Da die optische Messung am Mikro-Cantilever erfolgt, gibt es keine Probleme mit lokaler Temperaturerhöhung am Nanodraht, was ein großer Vorteil für einen Einsatz als Tieftemperatursensor ist. 5) Das gekoppelte System aus Einzeloszillatoren mit gleicher Eigenfrequenz, aber extrem unterschiedlichen Massen zeigt eine reiche Physik von transienten Schwingungsvorgängen. Eine durch Rechnungen und Experimente bestätigte Konsequenz ist, dass für ein perfekt frequenzangepasstes gekoppeltes System ein großes inhärentes Risiko für die Nanodrahtkomponente bei üblicher Sensorhandhabung mit moderaten Beschleunigungen bzw. Erschütterungen besteht. Wir zeigen einen Weg auf, wie dieses Risiko minimiert werden kann. 6) Das koresonant gekoppelte Sensorsystem ist besonders für Nano-Magnetometrie geeignet, da seine Biegeschwingungsmoden sehr kleine effektive Längen hervorbringen, die hauptsächlich durch die Länge des verwendeten Nanodrahtes bestimmt sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Magnetization Dynamics of an Individual Single‐Crystalline Fe‐Filled Carbon Nanotube. Small, 15(49).
Lenz, Kilian; Narkowicz, Ryszard; Wagner, Kai; Reiche, Christopher F.; Körner, Julia; Schneider, Tobias; Kákay, Attila; Schultheiss, Helmut; Weissker, Uhland; Wolf, Daniel; Suter, Dieter; Büchner, Bernd; Fassbender, Jürgen; Mühl, Thomas & Lindner, Jürgen
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Magnetization reversal and local switching fields of ferromagnetic Co/Pd microtubes with radial magnetization. Physical Review B, 99(9).
Puwenberg, Norbert; Reiche, Christopher F.; Streubel, Robert; Khan, Mishal; Mukherjee, Dipankar; Soldatov, Ivan V.; Melzer, Michael; Schmidt, Oliver G.; Büchner, Bernd & Mühl, Thomas
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V-shaped nanowire for co-resonantly coupled cantilever magnetometry, N2 conference, Berlin, (2019)
M. Sharma
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Enabling nanowire deflection detection using coupled oscillators, DPG Meeting of the Condensed Matter Section (2022)
M. Sharma, T. Mühl et al.
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Enabling nanowire deflection detection using coupled oscillators, Nanotech France (2022)
M. Sharma, T. Mühl et al.
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Novel detection scheme for nanowire-type force sensors based on coupled mechanical oscillations, NanoScientific Forum SPM (2022)
M. Sharma, T. Mühl et al.
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Simultaneous magnetic field and field gradient mapping of hexagonal MnNiGa by quantitative magnetic force microscopy. Communications Physics, 6(1).
Freitag, Norbert H.; Reiche, Christopher F.; Neu, Volker; Devi, Parul; Burkhardt, Ulrich; Felser, Claudia; Wolf, Daniel; Lubk, Axel; Büchner, Bernd & Mühl, Thomas
