Quanten-Einbahnstrasse in Nanodrähten aus topologischen Isolatoren

Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.05.2022

Nanodrähte aus einem topologischen Isolator könnten dazu beitragen, hochstabile Informationseinheiten für künftige Quantencomputer zu entwickeln. In neuen Forschungsresultaten zu solchen Bauelementen erkennen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen wichtigen Schritt, um das Potenzial dieser Technologie ausschöpfen zu können.

Nanodrähte, die mehr als 100-mal dünner sind als ein menschliches Haar, können wie eine Einbahnstrasse für Elektronen wirken, wenn sie aus einem besonderen Material bestehen, das als topologischer Isolator bezeichnet wird. Das berichtet ein internationales Team von Forschenden in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology».

Die Entdeckung ermöglicht neue technologische Anwendungen von Bauelementen aus topologischen Isolatoren und ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu sogenannten topologischen Quantenbits (Qubits). Von diesen erhofft man sich, dass sie Informationen für einen Quantencomputer robust kodieren können.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, haben die Forschungsgruppen von Prof. Dr. Jelena Klinovaja und Prof. Dr. Daniel Loss an der Universität Basel eng mit Forschenden um Prof. Dr. Yoichi Ando an der Universität Köln zusammengearbeitet.

Aussen leitend, innen nicht

Topologische Isolatoren sind Materialien, bei denen eine Kombination aus Quantenmechanik und dem mathematischen Konzept der Topologie dazu führt, dass sie elektrischen Strom an der Oberfläche leiten, sich im Innern aber wie Isolatoren verhalten. Topologische Isolatoren gelten als vielversprechende Kandidaten für künftige Technologien und für Anwendungen im Quantencomputing.

Die Forschenden konnten zeigen, dass unter den richtigen Umständen elektrische Ströme leichter in die eine als in die andere Richtung fliessen können – ein Vorgang, der als Gleichrichtung bezeichnet wird. Die Gleichrichtung bietet ein breites Spektrum an Anwendungen und bildet die Grundlage der meisten drahtlosen Technologien.

Gleichrichter, die beispielsweise in Smartphones zu finden sind, bestehen heute aus Halbleiterdioden. Im Unterschied dazu entsteht der Gleichrichtereffekt in den Nanodrähten aus topologischen Isolatoren durch quantenmechanische Effekte und ist ausserordentlich gut steuerbar.

«Quantenmechanische Gleichrichtereffekte entstehen für gewöhnlich durch eine sogenannte Spin-Bahn-Kopplung, die eine Mischung aus Quantenmechanik und Einsteins Relativitätstheorie ist. Diese seltsame Mischung führt normalerweise nur zu winzigen Gleichrichtereffekten», erklärt Erstautor Dr. Henry Legg, Georg H. Endress-Postdoktorand an der Universität Basel.

«Das Tolle an den Nanodrähten aus topologischen Isolatoren ist, dass wir im Wesentlichen die gleiche Physik künstlich erzeugen können, allerdings in einem viel grösseren Massstab», ergänzt Legg. «Dies führt zu einem Gleichrichtereffekt, der im Vergleich zu anderen Materialien wirklich riesig ist. Das ist auch einer der Aspekte, die topologische Isolatoren für Anwendungen im Quantencomputing so interessant machen.»

Robuste Quanteninformation

Quantencomputer versprechen eine noch nie dagewesene Rechenleistung, sind aber sehr anfällig für kleinste Störungen von aussen. Ein Vorschlag, um die empfindlichen Einheiten der Quanteninformation – die Qubits – zu schützen, sind topologische Qubits. Von ihnen wird erwartet, dass sie weitaus stabiler gegenüber äusseren Einflüssen sind. Dieser Schutz ergibt sich auch aus der Mathematik der Topologie, die den Eigenschaften der topologischen Isolatoren zugrunde liegt.

«Topologische Isolatoren gelten schon seit Langem als geeignete Kandidaten für topologische Quantencomputer», erklärt Jelena Klinovaja, die vor kurzem einen ERC Consolidator Grant für ihre Forschung zu topologischer Quantenmaterie erhalten hat. «Damit die Herstellung topologischer Qubits nun vorankommt, ist es entscheidend, dass wir Bauelemente aus topologischen Isolatoren genauestens kontrollieren können.»

«In unserer Studie haben wir nicht nur einen einzigartigen und sehr grossen Quanteneffekt entdeckt, sondern wir zeigen auch, dass wir sehr gut verstehen, was in diesen Systemen passiert. Es scheint, dass alle Schlüsseleigenschaften von topologischen Isolatoren vorhanden sind, um auf dem Weg zur Herstellung von topologischen Qubits weiterzukommen», kommentiert Klinovaja.

Originalpublikation:
Henry F. Legg et al.
Giant magnetochiral anisotropy from quantum confined surface states of topological insulator nanowires
Nature Nanotechnology (2022); doi: 10.1038/s41565-022-01124-1

Externer Link: www.unibas.ch

Bioinformatiker entschlüsseln Protein, das abnehmende kognitive Leistung im Alter zurückdrehen kann

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 11.05.2022

Im hohen Alter lässt die Gedächtnisleistung bei den meisten Menschen nach, oft so stark, dass dies ihren Alltag massiv beeinflusst. Bioinformatiker der Universität des Saarlandes haben nun in einer gemeinsamen Studie mit der Stanford University ein Protein mit verjüngender Wirkung identifiziert, das den Prozess der abnehmenden Hirnleistung im Alter beeinflusst. Ihre Forschungsergebnisse wurden heute online in der Fachpublikation „Nature“ veröffentlicht. Auch die New York Times hat berichtet.

Es gibt vielfältige Ursachen für altersbedingte Krankheiten – und oft führen diese zu erheblichen Einschränkungen im Alltag Betroffener. Eine der meistverbreiteten Symptome ist eine schleichend abnehmende kognitive Kapazität, die später oft gepaart mit Altersdemenz auftritt. Forscher der Universität des Saarlandes interessieren sich daher für die Frage, welche neuen Stoffe uns neben einer gesunden Lebensweise dabei helfen können, so lange wie möglich fit im Gehirn zu bleiben. Sie suchen zudem nach Wirkstoffen, die Beschwerden bei bereits betroffenen Patienten wieder heilen können.

In einer Studie zusammen mit Forschern der Gruppe von Professor Tony Wyss-Coray aus dem Bereich Neurologie der Stanford University in den USA, die nun im renommierten Fachmagazin „Nature“ publiziert wurde, beschreiben die Bioinformatiker Andreas Keller und Fabian Kern die Entdeckung eines solchen physiologisch wirksamen Stoffes. Andreas Keller ist Professor für Klinische Bioinformatik der Universität des Saarlandes, sein wissenschaftlicher Mitarbeiter Fabian Kern forscht seit kurzem eigenständig am Helmholtz-Institut für Pharmazeutische Forschung Saarland (HIPS). Zusammen haben sie wesentlich dazu beigetragen, den eigentlichen Mechanismus hinter der Wirkweise des sogenannten Signalproteins Fgf17 zu entschlüsseln. Dieses entstammt einer Familie von zellulären Wachstums- und Entwicklungsfaktoren. Das in der Gehirnflüssigkeit (auch bekannt als Cerebrospinalflüssigkeit – CSF) lösliche Protein dockt spezifisch an entsprechende Rezeptoren der Gehirnzellen, insbesondere den sogenannten Oligodendrozyten aus der Familie der Gliazellen, an. Diese sind für die elektrische Signalleitung unserer Neuronen unentbehrlich, können jedoch mit zunehmendem Alter an Anzahl und Funktion verlieren. Eine der bekanntesten Autoimmunkrankheiten, die unmittelbar auf einen Verlust der Oligodendrozytenfunktion zurückzuführen ist, ist die Multiple Sklerose. CSF enthält ein komplexes Gemisch an vielzähligen Nährstoffen, welches die Zellen im zentralen Nervensystem versorgt, sowie diverse Proteine mit nach wie vor unbekannter Funktionsweise.

Das in der Studie beschriebene, natürlich vorkommende Protein führt zu einer teilweisen Umkehrung der beobachteten Alterungsprozesse durch eine Reaktivierung von Oligodendrozyten und darüber hinaus zu einer signifikanten Verbesserung der kognitiven Schwächen. Dies konnte nachgewiesen werden, indem Rückenmarksflüssigkeit von jungen Labormäusen an ihre älteren Artgenossen per Transfusion übertragen wurde. Die Saarbrücker Bioinformatiker haben die an diesem konkreten molekularen Prozess beteiligten Transkriptionsfaktoren und Gene genauer beschrieben. Bis zu einer möglichen Therapie im Menschen sind jedoch noch viele weitere Fragen zu klären. Zum Einstieg ging es erst einmal darum, geeignete Wirkstoffkandidaten zu identifizieren, was sich in der Regel als überaus schwierig und aufwändig erweist. Die Bioinformatiker konnten in diesem Fall eine solche Entdeckung mit ihrem methodischen Wissen, wie unter anderem in der Hochdurchsatzsequenzierung, erst möglich machen.

„Fachübergreifende Forschung dieser Art mit ausgesuchter Nähe und Potential zur klinischen Nutzung gehören zu den Zielen der Universität im Bereich NanoBioMed. Damit werden richtungweisende Innovationen vom Campus in die ganze Welt getragen“, sagt Professor Andreas Keller mit Blick auf die nun im Nature-Magazin veröffentlichte Studie. Die Printausgabe des Artikels erscheint in der Ausgabe vom 19. Mai.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Baumaschinen mit Hybridantrieb: Spritsparend baggern

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 28.04.2022

Rückgewinnung von Bewegungsenergie des Baggerarms steigert Effizienz und spart Kraftstoff

Rohstoffe und Energie verteuern sich drastisch – und damit auch das Bauen. Neben dem Klimawandel sind die hohen Kosten ein weiterer Grund, Treibstoff bei Baumaschinen einzusparen. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben Möglichkeiten für einen effizienteren Betrieb am Beispiel eines Hydraulikbaggers mit Hybridantrieb untersucht. Dabei haben sie Einsparpotenziale von rund zehn Prozent gefunden. Eine spezielle Software zur Steuerung des Einsatzes unterschiedlicher Antriebe könnte die Effizienz weiter steigern.

Bei Autos sind Hybridantriebe, also die Kombination verschiedener Antriebsprinzipien und Energiespeicher, längst gebräuchlich, etwa die Verbindung von Benzin- oder Diesel- mit Elektroantrieb. Baumaschinen verfügen ohnehin meist über mehrere Antriebe, wie etwa Fahrantrieb, Schwenkantrieb und Arbeitsantrieb, die jeweils hybridisiert werden könnten. Allerdings kommt in den meisten Baggern die Energie für sämtliche Antriebe vom Dieselmotor. „Wir haben jetzt unterschiedliche Hybridisierungsmaßnahmen auf ihr Potenzial zur Effizienzsteigerung hin untersucht“, sagt Niklas Bargen vom Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT. Das Ergebnis: „Der elektrische Betrieb des Schwenkwerks eines Hydraulikbaggers, also des Motors zur seitlichen Drehung, bringt beispielsweise eine Effizienzsteigerung beim Laden von Erdreich oder Schutt auf einen Lastwagen um elf Prozent und eine Kraftstoffeinsparung von rund acht Prozent.“ Mit zusätzlicher Rückgewinnung von Bewegungsenergie beim Absenken des Baggerarms – ähnlich wie bei regenerativen Bremssystemen in E-Autos – seien sogar Effizienzsteigerungen von insgesamt 12,5 Prozent und neun Prozent weniger Spritverbrauch zu erwarten, meint Bargen. „Wir gehen davon aus, dass sogar noch weiteres Potenzial vorhanden ist. Zum Beispiel durch eine Software, die bedarfsgerecht und nach Effizienzgesichtspunkten entscheidet, mit welchem Antrieb die unterschiedlichen Funktionen des Baggers gerade am besten betrieben werden sollen.“

Für ihre Untersuchungen haben die Forscher vom Institutsteil Mobile Arbeitsmaschinen (Mobima) einen Bagger mit zahlreichen Sensoren ausgestattet und die 15 Tonnen schwere Maschine so während hundert Tagen bei der Arbeit auf unterschiedlichen Baustellen genau überwacht. „Anschließend haben wir verschiedene Varianten der Hybridisierung am Rechner simuliert und ermittelt, welches Potenzial zur Effizienzsteigerung sie im realen Betrieb haben würden“, erläutert Bargen.

Hybridisierung als Brückentechnologie

In Anbetracht des geschätzten Verbrauchs eines mittelschweren Baggers von 100 000 Litern Diesel über seinen gesamten Lebenszyklus, steckt in den Hybridantrieben für Baumaschinen ein erhebliches Energiesparpotenzial. „Dennoch sehen wir die Hybridisierung mehr als Brückentechnologie auf dem Weg zur vollständigen Elektrifizierung von Baumaschinen, die wegen des hohen Energiebedarfs der Maschinen und mangelnder Speichertechnologie noch vor großen Hürden steht.“

Am Forschungsprojekt war die Firma Stoba E-Systems GmbH beteiligt. Es wurde vom Ministerium für Wirtschaft, Arbeit und Tourismus des Landes Baden-Württemberg mit 300 000 Euro gefördert. (mex)

Externer Link: www.kit.edu

technologiewerte.de – MOOCblick Mai 2022

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Embedded Systems – Shape The World: Microcontroller Input/Output
Jonathan Valvano (The University of Texas at Austin) et al.
Start: flexibel / Arbeitsaufwand: 64-80 Stunden

Externer Link: www.edx.org