Licht-getriebene Nanodronen basierend auf optischer Spin-Bahn Kopplung

• Antragsteller: Professor Dr. Bert Hecht
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Mikrosysteme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438123468

Ist es möglich, multifunktionale Nanostrukturen zu konstruieren, mit typischen Abmessungen einiger Wellenlängen des sichtbaren Lichts, die in Flüssigkeiten in 3D mit Nanometergenauigkeit angetrieben und gelenkt werden können, indem man sie von Zeit zu Zeit mit unfokussierten zirkular polarisierten Lichtstrahlen beleuchtet? Im vorliegenden Projekt soll genau dies realisiert werden durch die Verwendung maßgeschneiderter plasmonischer Nanostrukturen, sogenannter plasmonische Nanomotoren. Plasmonische Nanomotoren zeigen eine gerichtete resonante Lichtstreuung, die stark vom Spin der einfallenden Photonen abhängt, vergleichbar mit dem Effekt der optischen Spin-Bahn-Kopplung. In Experimenten wird eine kleine Anzahl solcher sogenannter plasmonischer Nanomotoren verwendet, die auf mikroskopisch kleinen, transparenten Trägern positioniert sind. Mit Hilfe dieser Motoren können Bewegungsfreiheitsgrade der Trägerpartikel, wie Vorwärts- und Rückwärts- und links-recht-Schub, aber auch Drehungen in allen Raumrichtungen, vollständig kontrolliert und mit Hilfe von Rückkoppelschleifen stabilisiert werden - ähnlich wie in den bekannten makroskopischen Multirotor-Drohnen. Die Positions- und Orientierungsstabilisierung wird es erlauben, der Brownschen Bewegung entgegenzuwirken und dadurch eine nanometergenaue Steuerung der Objekte ermöglichen. Der hier beschriebene Ansatz stellt eine allgemeine Methode zur Kontrolle und Steuerung der Bewegung von Nano-Objekten mit Abmessungen im Bereich einiger optischer Wellenlängen in flüssiger Umgebung - sogenannter Nanodronen – dar. Nanodronen können verschiedene Funktionalitäten kombinieren und zum Beispiel einen Bereich mit einer Nanosonde aufweisen, zusätzlich zu dem für Antrieb und Lagesteuerung zuständigen Bereich. Dies ermöglicht neuartige Experimente, z.B. in den Lebenswissenschaften, bei Untersuchungen und Manipulationen an der Oberfläche oder innerhalb lebender Zellen, oder für den Transport und die Verarbeitung funktioneller Lasten, die an solche Nanodronen gekoppelt sein könnten. Insbesondere wird eine nanometergenaue Steuerung aller Freiheitsgrade die Möglichkeit bieten Rastersonden-Experimente durchzuführen, wie z.B. spitzen-verstärkte Spektroskopie von Flüssig-Fest-Grenzflächen oder kontrollierte lokale Kräfte auszuüben. Fig. 1 illustriert das Konzept am Beispiel einer vereinfachten 2D-Nanodrone, die sich sowohl vorwärts als auch rückwärts (Schub) bewegen und ihre Richtung in der Ebene (Gieren) verändern kann, durch Veränderung der relativen Stärke zweier unfokussierter zirkular polarisierter Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen