Archiv für den Monat Februar 2010

Mustermacher auf einer Nano-Insel

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Presseinformation der Max-Planck-Gesellschaft vom 12.02.2010

Das Interferenzmuster, das Elektronen einer Nanostruktur erzeugen, hängt von ihrer Spinorientierung ab

Einsperren hilft – nicht nur, wenn Verbrecher ihre wohlverdiente Strafe erhalten sollen, sondern auch in der Physik: Indem sie Elektronen auf einen engen Raum begrenzten, konnten die Forscher um Dirk Sander, Valeri Stepanyuk und Jürgen Kirschner vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle für die Elektronen und ihre Eigendrehimpulse (“Spins”) grundlegende quantenphysikalische Phänomene demonstrieren. Aber ihre Arbeit geht über Grundlagenforschung hinaus: Sie eröffnet die Möglichkeit, die Spinpolarisation auf einer Nanometerskala zu manipulieren. Das ist für Entwicklungen der Spintronik äußerst interessant, also der Informationsverarbeitung, die zusätzlich zur Ladung auch den Spin von Elektronen ausnutzt und dadurch kleiner, schneller und sparsamer ist. Die Ergebnisse der Physiker aus Halle sind in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins “Science” veröffentlicht. (Science, 12. Februar 2010)

Der enge Raum – das ist für die Forscher eine dreieckige Kobalt-Insel auf einem Kupferkristall: Die Insel ist nur zwei Atomlagen dick und hat eine Kantenlänge von 12 Nanometern, besteht somit gerade mal aus ca. 10 000 Kobaltatomen. Kupfer und Kobalt unterscheiden sich hinsichtlich ihrer elektronischen Struktur. Insbesondere ist Kupfer nichtmagnetisch, Kobalt hingegen magnetisch. Der Inselrand ist eine elektronische Barriere, die Elektronen sind also auf der Insel eingesperrt.

Untersucht wird die Insel mit der magnetischen Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM). Die Spitze brigen die Forscher sehr nahe an die Insel gebracht. Dann tunneln Elektronen von der Spitze in die Insel. Gemessen wird der Tunnelstrom in Abhängigkeit von der angelegten Spannung zwischen Spitze und Insel. So ermitteln die Physiker den differentiellen elektrischen Leitwert (der Kehrwert des elektrischen Widerstands).

Der besondere Clou des RTM in Halle: Die Messungen werden in Magnetfeldern gemacht, die einige 10.000 Mal stärker als das Erdmagnetfeld sind. So können die Forscher zwei verschiedene magnetische Konfigurationen hergestellen und untersuchen: Die Elektronen-Spins der RTM-Spitze und die der Insel, die für die Magnetisierung verantwortlich sind, weisen in einem Fall in die gleiche, im anderen Fall in die entgegengesetzte Richtung – man spricht von paralleler beziehungsweise antiparalleler Konfiguration. Die Wissenschaftler aus Halle haben in beiden Konfigurationen die Oberfläche der Insel abgerastert und den Tunnelstrom gemessen. So erstellten sie sowohl für die parallele als auch für die antiparallele Konfiguration eine Landkarte, die den Leitwert in Abhängigkeit von der Position auf der Insel darstellt.

Dadurch, dass die Elektronen auf der Insel eingesperrt sind, zeigt die Landkarte der Leitwerte sowohl für die parallele als auch für die antiparallele Konfiguration ein räumliches Muster: Gemäß ihrem Wellencharakter bilden die Elektronen auf der Insel stehende Wellen aus. Allerdings – und das ist das Interessante an den Messergebnissen – wirkt sich das Einsperren in paralleler Konfiguration anders aus als in antiparalleler Konfiguration: Eine dritte Landkarte, in der die Wissenschaftler eintrugen, um wie viel die beiden Werte voneinander abwichen zeigte ebenfalls ein räumliches Muster. Mit anderen Worten: Auch die Spinpolarisation, also das Vorhandensein einer Vorzugsrichtung für den Elektronenspin, ist in der dreieckigen magnetischen Nanostruktur räumlich moduliert.

Untermauern konnten die Wissenschaftler ihre Interpretation durch so genannte ab-initio-Berechnungen. Sie haben damit erstmals gezeigt, dass die Interferenz der Elektronen in der Nanostruktur vom Elektronen-Spin abhängt. [she]

Originalveröffentlichung:
Hirofumi Oka, Pavel Ignatiev, Sebastian Wedekind, Guillemin Rodary, Larissa Niebergall, Valeri Stepanyuk, Jürgen Kirschner
Spin-Dependent Quantum Interference Within a Single Magnetic Nanostructure
Science, 12. Februar 2010

Externer Link: www.mpg.de

Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 11. Februar 2010

Forschern gelingt Trennung von verschränkten Elektronen durch den Einsatz von Kohlenstoff-Nanoröhren

Nach den theoretischen Grundsätzen der Quantenmechanik können zwei mikroskopisch kleine Objekte miteinander verschränkt sein. In diesem Fall sind beide Objekte auf komplexe Art und Weise verbunden, wobei diese Verbindung unter gewissen Umständen auch dann bestehen bleibt, wenn die beiden Objekte räumlich voneinander getrennt werden. Es ist möglich, nach einer solchen Trennung das eine Objekt derart zu stören, dass dies beim anderen messbar ist. Da die beiden Objekte dabei keine Information mehr untereinander austauschen, scheinen die Teilchen den Messprozess des jeweils anderen bereits vor dessen Eintreten zu kennen. Es zeigt sich also, dass die Werte der Messungen für die beiden Teilchen trotz der räumlichen Trennung streng korreliert bzw. aufeinander bezogen sind.

Dieser – nach den Physikern Einstein, Podolski und Rosen – so genannte EPR-Effekt wurde auf dem Gebiet der Informations- und Kommunikationstechnologie schon frühzeitig herangezogen, um Theorien darüber aufzustellen, wie sich diese seltsame Wechselwirkung verschränkter Teilchen für die Übermittlung und Verschlüsselung von Daten nutzen lassen könnte. Der experimentelle Nachweis von miteinander verschränkten Photonen bzw. Lichtteilchen gelang bereits in den 1980er Jahren in den Bell Laboratorien in den USA. Für die Entwicklung von Quantencomputern ist aber eine stärkere Wechselwirkung erforderlich, die viel eher zwischen Elektronen als zwischen Photonen möglich ist. Von besonderem Interesse wäre die Verschränkung von Elektronen in einem Festkörper, die sich aber bislang noch nicht ausreichend experimentell nachweisen ließ.

In diesem Zusammenhang ist einem internationalen Forscherteam, an dem neben Prof. Dr. Christoph Strunk und Lorenz Herrmann vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg auch Forscher aus Frankreich und Spanien beteiligt waren, ein bedeutender Schritt in die richtige Richtung gelungen. Die Wissenschaftler konnten nachweisen, dass sich quantenmechanisch verschränkte Elektronen in Festkörpern räumlich voneinander trennen lassen. Für ihre Arbeit griffen die Forscher auf Kohlenstoff-Nanoröhren zurück. Im Rahmen ihrer Experimente ließen die Forscher verschränkte Elektronen – so genannte Cooper-Paare – über eine Supraleiter-Brücke fließen, bis diese eine Kohlenstoff-Nanoröhre erreichten, die dann als elektronisches Äquivalent eines Strahlenteilers diente. In verschiedenen Fällen trennten sich daraufhin die Elektronen und wurden zu den unterschiedlichen Messpunkten geleitet. Der experimentelle Nachweis des EPR-Effekts, also die Bestätigung darüber, dass die experimentell getrennten Elektronen trotz der räumlichen Distanz weiterhin verschränkt sind, steht nun auf der Agenda des Forscherteams. Derzeit wird global an diesem experimentellen Nachweis gearbeitet, der einen herausragenden Durchbruch in der Quantenphysik darstellen würde. Die Gruppe um den Regensburger Physiker Prof. Strunk liegt dabei sehr gut im Rennen.

Die Nutzung des Effekts der Quantenverschränkung ist von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Quantencomputern und neuen Kommunikationstechnologien, wobei die Anwendungen in Festkörpern einfacher in elektronische Schaltkreise zu integrieren sein dürften. Quantencomputer sind derzeit noch hypothetische Rechner, die aber in der Lage wären, komplexe Rechenoperationen in einem Bruchteil der Zeit eines herkömmlichen Computers zu erledigen. Die jüngsten Ergebnisse des internationalen Forscherteams bieten darüber hinaus vielfältige Perspektiven für die Analyse quantenmechanischer Effekte in Festkörper-Systemen.

Die Ergebnisse der Experimente der Physiker wurden vor kurzem in der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Darüber hinaus widmete die Zeitschrift Physics diesen bahnbrechenden Forschungsergebnissen in einer Ausgabe im Januar 2010 einen eigenen „Viewpoint“.

Publikationen:

1.) L. G. Herrmann, F. Portier, P. Roche, A. Levy Yeyati, T. Kontos, and C. Strunk, Carbon Nanotubes as Cooper-Pair Beam Splitters, Physical Review Letters 104, 026801 (2010) – Published January 11, 2010

2.) Nadya Mason, Viewpoint in Physics 3, 3 (2010) DOI: 10.1103/Physics.3.3, Carbon nanotubes help pairs survive a breakup

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Zelluläre Qualitätssicherung von Antikörpern

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Pressemitteilung der TU München vom 09.02.2010

Boehringer Ingelheim erwirbt Grundlagen-Patente von TUM-Forschern:

Antikörper sind zentrale Bestandteile des Immunsystems in Säugetieren. Sie erkennen Viren und Bakterien und alarmieren daraufhin die körpereigene Abwehr. Biochemiker der Technischen Universität München (TUM) haben den Ablauf der Qualitätskontrolle aufgeklärt, mit der die Zelle sicherstellt, dass nur korrekt gefaltete Antikörper ausgeliefert werden. Der Pharmakonzern Boehringer Ingelheim erwarb nun zwei aus dieser Forschung entstandene Patentanmeldungen, um das Verfahren für die biotechnologische Herstellung von Antikörpern zu nutzen.

Ohne Antikörper würde das menschliche Immunsystem nicht funktionieren. Sie erkennen Moleküle an der Oberfläche von Eindringlingen wie Bakterien oder Viren, heften sich an und aktivieren damit die Abwehrreaktionen des Immunsystems. In jüngster Zeit haben Antikörper auch große Bedeutung als Medikamente in der Krebstherapie erlangt. Auch für viele andere Anwendungen, insbesondere für den Nachweis geringster Spuren einer Substanz, eignet sich das Schlüssel-Schloss-Prinzip der Antikörper. Die Wissenschaft versucht nun zu verstehen, wie Antikörper in der Natur gebildet werden, um gezielt Antikörper mit speziellen Eigenschaften herstellen zu können.

„Die sichere Erkennung gefährlicher Eindringlinge ist für den Körper lebenswichtig,“ erläutert Professor Johannes Buchner vom Lehrstuhl für Biotechnologie der TUM. „Fehlfunktionen, wie Autoimmunkrankheiten, richten schweren Schaden im Organismus an. Die Natur hat daher für die Synthese von Antikörpern eine präzise Qualitätskontrolle geschaffen.“ Die Y-förmigen Antikörper können spezifische Strukturen im Körper gezielt angreifen. Sie bestehen jeweils aus zwei schweren und zwei leichten Ketten aneinander gehängter Aminosäuren. Johannes Buchner und sein Team an der TUM entdeckten, dass ein spezifischer Abschnitt der schweren Kette nur dann eine definierte Struktur einnimmt, wenn er in Kontakt mit der leichten Kette kommt.

Ausgehend von dieser Entdeckung entwickelten die Forscher am Department Chemie ein neues Verfahren, das der Verbesserung biotechnologisch produzierter therapeutischer Antikörper dient: Durch gentechnische Modifikationen erzielten die Wissenschaftler optimierte Antikörper, die den natürlich vorkommenden Antikörpern bezüglich Stabilität, Handhabbarkeit und Lagerfähigkeit überlegen sind. Diese Entdeckung liefert nicht nur grundlegende Einsichten in die molekularen Funktionsprinzipien unseres Immunsystems, sie ermöglicht es auch, Antikörper für die biotechnologische Produktion zu optimieren.

Zusammen mit der Bayerischen Patentallianz GmbH (BayPat) gelang es nun, das neue Verfahren erfolgreich zu vermarkten. Die komplette Übertragung der Patentanmeldungen gibt Boehringer Ingelheim die Freiheit, das Verfahren zunächst in Deutschland zu nutzen und nach Bedarf eigenständig für die weltweite Verwertung zu erweitern. „Dank der Erfindung könnte die aufwendige Produktion vielfältiger Antikörper erheblich effektiver werden“, meinen Dr. Katharina Aulinger (TUM) und Dr. Joachim Vogt (BayPat), die als Patentmanager die Vertragsverhandlungen führten. An diesem Fall zeige sich, dass die Patentierung schon in einem frühen Stadium der Forschung wertvoll sei, so Aulinger. „Wir freuen uns, dass hiermit Grundlagenforschung von einem renommierten, weltweit agierenden Pharmakonzern aufgegriffen wird“, so Vogt. Boehringer Ingelheim verfüge über ein umfangreiches Know-how in der Antikörperherstellung und könne das Potenzial der Erfindung im Rahmen seiner Produktion voll ausschöpfen.

Publikation:
An Unfolded CH1 Domain Controls the Assembly and Secretion of IgG Antibodies
Matthias J. Feige, Sandra Groscurth, Moritz Marcinowski, Yuichiro Shimizu, Horst Kessler, Linda M. Hendershot, and Johannes Buchner
Molecular Cell 34, 569–579, June 12, 2009, DOI: 10.1016/j.molcel.2009.04.028

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Stroboskop der Quantenphysiker

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Presseinformation der LMU München vom 01.02.2010

Resonator liefert kurze Lichtblitze für verschränkte Photonen

Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quantencomputer ist die Erzeugung und Untersuchung von Systemen aus mehreren verschränkten Quanten. Photonen, die Teilchen des Lichts, eignen sich sehr gut, um solche Quantensysteme herzustellen. Physikern um Professor Harald Weinfurter von der LMU München und dem MPI für Quantenoptik haben nun im Rahmen des Exzellenzclusters „Munich-Centre for Advanced Photonics“ (MAP) eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe die für die Herstellung verschränkter Photonen nötigen ultrakurzen Lichtpulse mit sehr hoher Intensität und in schneller Folge erzeugt werden können. Neben dem Fernziel eines Quantencomputers eröffnen sich neue Möglichkeiten in verschiedenen Anwendungsbereichen, wie etwa der optischen Spektroskopie. (Nature Photonics online, 31. Januar 2010)

„Spukhafte Fernwirkung“ nannte Einstein die rätselhafte Wechselwirkung verschränkter Photonen, bei der die Messung des Zustands eines Photons den Zustand des anderen Photons beeinflusst. Ein Ziel der Forscher ist deshalb, viele Photonen zu verschränken und zu untersuchen, was dabei passiert. Dabei geht es nicht nur um die Entwicklung eines Quantencomputers, sondern auch um ein besseres Verständnis der Quantenwelt und die Frage, wie sich die Verschränkung über größere Quantensysteme verteilt. Mehrere verschränkte Photonen können aber nur mit Hilfe ultrakurzer und leistungsstarker Lichtpulse erzeugt werden. Bislang konnten die dafür nötigen hohen Pulsenergien nicht erreicht werden; besonders wenn die einzelnen Lichtpulse stroboskopähnlich kurz, intensiv und genügend schnell hintereinander im ultravioletten Spektralbereich erzeugt werden sollten.

Die Münchener Arbeitsgruppe übertrug nun erstmals eine Methode, die im infraroten Bereich des Lichtspektrums gut funktioniert, auf den energiereicheren ultravioletten (UV) Bereich. Sie setzen dafür einen Resonator ein, um UV-Lichtpulse von nur wenigen Femtosekunden (10-15 Sekunden) Dauer mit hoher Rate (82 MHz) hin und her zu jagen. Dabei addieren sich die Pulse fortlaufend, vorausgesetzt, jeder einfallende Lichtpuls überlagert sich exakt mit den bereits im Resonator umlaufenden Pulsen. Auf diese Weise entstehen ultrakurze Lichtpulse in schneller Folge. Diese Lichtpulse sind mehr als fünfmal stärker als solche, die durch vergleichbare kommerzielle Lasersysteme erzeugt werden können. Mit Hilfe der Lichtpulse wird dann im Resonator ein Kristall angeregt, der verschränkte Photonen aussendet.

Roland Krischek, der diese Resonanzkammer mit konstruiert und erprobt hat, sieht darin große Chancen: „Unser Lichtresonator gibt uns nun die Möglichkeit, die Verschränkung über größere Systeme genauer zu untersuchen“. Sein Kollege Witlef Wieczorek ergänzt: „Mit diesem Resonator kann man nicht nur verschränkte Photonen erzeugen, sondern auch Moleküleigenschaften oder den Ladungstransport in Halbleitern studieren.“ (MAP/suwe)

Publikation:
„Ultraviolet enhancement cavity for ultrafast nonlinear optics and high-rate multiphoton entanglement experiments”,
Roland Krischek, Witlef Wieczorek, Akira Ozawa, Nikolai Kiesel, Patrick Michelberger, Thomas Udem and Harald Weinfurter
Nature Photonics online, 31. Januar 2010
DOI: 10.1038/NPHOTON.2009.286

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Virtueller Museumsführer

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Mediendienst der Fraunhofer-Gesellschaft vom Februar 2010

Eine Fraunhofer-Software kann archäologische Schätze zum Leben erwecken. Beim virtuellen Rundgang durch antike Bauwerke werden echte Bilder mit digitalen Informationen angereichert und dem Museumsbesucher nahegebracht.

Auf eine virtuelle Zeitreise in die Vergangenheit würde sich wohl jeder Besucher eines Archäologiemuseums gern begeben. Forscher machen dies heute schon möglich. Beispielsweise konnte man bis vor kurzem im Allard Pierson Museum in Amsterdam durch historische Stätten spazieren. Neben einer Fülle von Kunstwerken stand dort auf einer drehbaren Säule ein Flachbildschirm. Auf den ersten Blick zeigte er einen Ausschnitt dessen, was an der Wand hing: ein riesiges Schwarzweißfoto mit den Ruinen des Forum Romanum. Doch sobald ein Besucher den Schirm zur Seite schwenkte, zeigte der Monitor nicht mehr die Mitte der Fotografie, sondern ihren linken Teil. An der Rückseite des schwenkbaren Displays war eine Kamera angeschlossen. Auf dem Monitor erschienen Informationen zum Gesehenen. Ein Text klärte darüber auf, dass die Kamera gerade auf die Ruine des Saturn-Tempels gerichtet ist. Gleichzeitig zeigte eine digitale Animation, wie der intakte Tempel einst ausgesehen haben mag. Schwenkte der Besucher den Schirm weiter, so stieß er auf Informationen, Bilder und Videos zu anderen antiken Bauwerken, etwa des Kolosseums.

Hinter der raffinierten Animation steckt eine Software, die am Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD in Darmstadt entwickelt wurde. »Wir haben dem Rechner beigebracht, das Bild zu erkennen«, erläutert Fraunhofer-IGD-Forscher Michael Zöllner. »Dadurch weiß das Programm, welche Stelle des Bilds sich gerade im Zentrum der Kamera befindet und kann die passende Überlagerung einblenden – einen Text, ein Video oder eine Animation.« Unter den Überblendungen ist das Originalbild immer deutlich zu erkennen. Dadurch ist der Besucher stets informiert, wo er gerade virtuell spazieren geht. Experten bezeichnen diese Technik als Augmented Reality, erweiterte Realität.

Im Museum läuft die IGD-Software derzeit noch auf einem Mini-Rechner, gesteuert über einen Touchscreen. Das handliche Gerät lässt ahnen, wohin der Trend geht – zum mobilen, virtuellen Reiseführer. Die Vision: Der Tourist hält das Gerät vor ein barockes Fürstenschloss, und schon erscheinen auf dem Schirm die passenden Informationen – auf die Wünsche des Benutzers zugeschnitten. Wie so etwas in der Praxis aussehen könnte, haben die Forscher im Projekt »iTACITUS« erprobt. Zöllners Team programmierte einen portablen Computer so, dass er als elektronischer Touristenführer für das Königsschloss Reggia di Venaria Reale nahe Turin fungierte. Die neue Handy-Technik könnte der erweiterten Realität schon bald zum Durchbruch verhelfen. »Durch das Smartphone wird Augmented Reality massenmarkttauglich«, freut sich Zöllner.

Externer Link: www.fraunhofer.de