Archiv des Monats: August 2011

Mit elektrischen Feldern Magnetismus steuern

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Presseinformation der Ruhr-Universität Bochum vom 23.08.2011

„Nature Materials“: Neues multiferroisches Material entwickelt

RUB-Forscher ermöglichen hochpräzise Messung mit Röntgenstreuung

Ein internationales Forscherteam aus Frankreich und Deutschland hat ein neues Material entwickelt, das erstmals auch bei Raumtemperatur magnetisch auf elektrische Felder reagiert. Bisher war dies überhaupt nur bei sehr tiefen, nicht praktikablen Temperaturen möglich. Elektrische Felder sind technisch viel einfacher und billiger herzustellen als magnetische Felder, für die man stromfressende Spulen benötigt. Die Forscher haben nun einen Weg gefunden, Magnetismus durch elektrische Felder schon bei „normaler“ Temperatur zu steuern, und verwirklichen damit einen Traum. Möglich waren die hochpräzisen Experimente in einer von der Ruhr-Universität Bochum gebauten Messkammer am Berliner Helmholtz-Zentrum. Über ihre Ergebnisse berichtet die Forschergruppe aus Paris und Berlin unter Beteiligung von Wissenschaftlern der RUB in „Nature Materials“.

ALICE im Wunderland

Die „multiferroische“ Eigenschaft des neuen Materials nachzuweisen, gelang in der Messkammer ALICE – so benannt, weil sie wie „Alice im Wunderland“ hinter die Dinge schauen kann. Dabei wird ein bestimmter Bereich von Röntgenstrahlung genutzt, um magnetische Nanostrukturen zu untersuchen. Die von Bochumer Physikern entwickelte Messkammer, gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung, ist seit 2007 erfolgreich im Einsatz am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin. Mit den jetzt entdeckten Materialeigenschaften von BaTiO3 (Barium-Titan-Oxid) lassen sich zukünftig Bauelemente wie Datenspeicher und logische Schalter entwerfen, die mit elektrischen anstatt mit magnetischen Feldern kontrollierbar sind.

Ferromagnetische und ferroelektrische Eigenschaften

Ferromagnetische Materialien wie Eisen können durch magnetische Felder beeinflusst werden. Im Magnetfeld sind alle atomaren magnetischen Dipole ausgerichtet. In ferroelektrischen Materialien ersetzen elektrische Dipole – das sind zwei getrennte und entgegengesetzte Ladungen – die magnetischen Dipole, so dass man sie in einem elektrischen Feld ausrichten kann. In ganz seltenen Fällen reagieren so genannte multiferroische Materialien auf beide Felder – magnetische und elektrische.

Multiferroisch bei Raumtemperatur

Ein solch multiferroisches Material stellten die Forscher her, indem sie ultradünne ferromagnetische Eisenschichten auf ferroelektrische Barium-Titan-Oxid-Schichten aufdampften. Dabei konnten sie feststellen, dass das sonst nicht magnetische ferroelektrische Material an der Grenzfläche zwischen den beiden Schichten ferromagnetisch wird. Damit haben die Forscher das weltweit erste multiferroische Material entwickelt, das bereits bei Raumtemperatur sowohl auf magnetische wie auf elektrische Felder reagiert.

Magnetische Röntgenstreuung wirft Licht auf neuen Steuermechanismus

Diesen Grenzflächenmagnetismus wiesen die Wissenschaftler mit Hilfe der spektroskopischen Methode „magnetischer Röntgendichroismus“ nach. Dabei wird die Polarisation der Röntgenstrahlen durch Magnetismus beeinflusst – ähnlich dem bekannten „Faraday-Effekt“ aus der Optik. Der magnetische Röntgendichroismus hat den Vorteil, dass er auf jedes einzelne Element in dem untersuchten Material angewandt werden kann. Mit dieser Methode konnte das Forscherteam zeigen, dass alle drei Elemente in dem ferroelektrischen Material – Barium, Sauerstoff und Titan – an der Grenzfläche zu Eisen ferromagnetisch reagieren, obwohl diese Atome sonst nicht magnetisch sind.

Eine äußerst raffinierte Methode

„Die Methode des magnetischen Röntgendichroismus ist hoch komplex“, sagt Prof. Dr. Hartmut Zabel, Lehrstuhl für Experimentalphysik der RUB. Die Messkammer ALICE vereinigt Röntgenstreuung mit Röntgen-Spektroskopie. „Das ist eine äußerst raffinierte und sehr empfindliche Methode“, so Prof. Zabel. „Die hohe Präzision der Detektoren sowie aller Goniometer in der Kammer führte zum Erfolg der Experimente des internationalen Messteams.“ (Jens Wylkop)

Titelaufnahme:
S. Valencia et al.: „Interface-induced room-temperature multiferroicity in BaTiO3“. Nature Materials, DOI: 10.1038/NMAT3098

Externer Link: www.ruhr-uni-bochum.de

Sensor-Chip überwacht Tumor

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Pressemitteilung der TU München vom 23.08.2011

Ein implantierter Chip könnte bald schwer operable oder langsam wachsende Tumoren überwachen. Medizintechniker der Technischen Universität München haben einen elektronischen Sensor-Chip entwickelt, der den Sauerstoffgehalt in Gewebsflüssigkeit bestimmen kann. Die Daten können per Funk an den behandelnden Arzt geschickt werden, der damit eine wichtige Entscheidungshilfe für eine Therapie erhalten wird. Denn wenn der Sauerstoffgehalt in Tumornähe sinkt, droht der Tumor sein Wachstum zu beschleunigen und aggressiv zu werden.

Eine Operation gehört meist zu den ersten Therapieschritten in der Bekämpfung einer Krebskrankheit. Doch manche Tumoren wie zum Beispiel Hirntumore lassen sich nur schwer operieren, wenn dabei umliegendes Nervengewebe geschädigt würde. Andere Krebsgeschwulste wie zum Beispiel viele Prostatakarzinome wachsen nur sehr langsam, eine Operation bei den zumeist älteren Patienten verschlechtert oft deren Lebensqualität, ohne ihr Leben merklich zu verlängern.

Medizintechniker des Teams um Prof. Bernhard Wolf, Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik der TUM, haben jetzt einen Sensor-Chip entwickelt, der in die Nähe des Tumors implantiert werden kann. Der Sensor-Chip misst die Konzentration an gelöstem Sauerstoff im Gewebe und gibt diese Informationen per Funk an ein Empfangsgerät weiter, das der Patient bei sich trägt. Das Empfangsgerät kann die Daten an den behandelnden Arzt weiterleiten, der damit die Tumorentwicklung verfolgen und Behandlungen wie Chemotherapie oder Operation einleiten kann. So würde der Tumor ständig überwacht, und gleichzeitig müsste der Patient seltener zu Kontrolluntersuchungen in die Praxis oder Klinik kommen.

Für den Körper unsichtbar

Labortests mit Zell- und Gewebekulturen hat der Sensor-Chip bereits bestanden. Die besondere Herausforderung: Der Sensor muss lange und vollkommen autonom funktionieren. Deshalb darf er bei einer Verschmutzung durch Proteine oder Zellreste nicht ausfallen oder falsche Messwerte liefern. Und er muss für den Körper „unsichtbar“ sein, damit der Körper ihn nicht als Fremdkörper erkennt und mit einer Gewebekapsel umschließt.

„Wir haben den Sensor-Chip so konstruiert, dass er sich in Messpausen selber an einer definierten Gelöstsauerstoffkonzentration kalibriert“, erläutert der Ingenieur und Projektleiter Sven Becker. „Außerdem haben wir den Sensor-Chip zusammen mit Auswerte-Elektronik, Funkeinheit und Batterien in ein Gehäuse aus biokompatiblem Kunststoff gesteckt.“

Klein ist der Sensor-Chip samt Elektronik schon, kaum doppelt so groß wie ein Daumennagel, doch bevor er über eine minimalinvasive Operation in Krebspatienten implantiert werden kann, muss er noch kleiner werden. Gleichzeitig sollen weitere Sensoren auch noch Säuregehalt und Temperatur messen. Außerdem haben die TUM-Forscher noch eine Miniatur-Medikamentenpumpe in Entwicklung, die zusammen mit dem Sensor-Chip implantiert werden und bei Bedarf Chemotherapeutika in unmittelbarer Tumornähe abgeben könnte. Im nächsten Schritt muss sich der Sensor-Chip allerdings erst einmal in der Behandlung von Tieren bewähren. In Zukunft, so hoffen die Forscher, wird er Krebstherapien bei Patienten gleichzeitig schonender und zielgerichteter machen können.

Das Projekt „IntelliTuM – Intelligentes Implantat zum Tumor-Monitoring“ wurde von der Heinz Nixdorf Stiftung unterstützt und vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit 500.000 Euro gefördert.

Externer Link: www.tu-muenchen.de

Lauschangriffen auf der Spur

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Presseinformation der LMU München vom 24.08.2011

Sichere Übertragung in der Quantenkryptographie

Die Quantenkryptographie ermöglicht das abhörsichere Übertragen von Nachrichten. Dabei werden kleinste Lichtquanten, die Photonen, versendet. Obwohl die Quantenkryptographie – genauer: die Quantenschlüsselverteilung oder auch QKD – in der Theorie beweisbar sicher ist, werden immer wieder Schwachstellen aufgedeckt und erfolgreiche Abhörversuche gemeldet. So hat ein Forscherteam um den LMU-Physiker Professor Harald Weinfurter in Zusammenarbeit mit der Firma qutools GmbH nun selbst einen erfolgreichen und dabei unübertroffen einfachen Angriff auf ein QKD-System durchgeführt – und gleich eine Gegenmaßnahme vorgestellt. Beim „Lauschangriff“ schleusten die Wissenschaftler lediglich zusätzliche schwache Lichtpulse in die Verbindung zwischen Sender und Empfänger ein. Erstmals mussten damit die ausgetauschten Photonen nicht mehr gemessen werden, weil die Einzelphotondetektoren des Empfängers für kurze Zeit selektiv geblendet wurden. Unbemerkt konnten die Forscher über 98 Prozent des ausgetauschten Schlüssels bestimmen – und die anschließend übertragene verschlüsselte Nachricht erfolgreich abhören. „Dies zeigt einmal mehr, wie wichtig die konsequente Aufdeckung und Beseitigung von technischen Sicherheitslücken ist“, betont Weinfurter. „Das ist bei der QKD nicht anders als bei klassischen Verschlüsselungsverfahren. In diesem Fall gibt es aber eine erfreulich einfache Gegenmaßnahme.“ Denn durch verbesserte Elektronik kann stets kontrolliert werden, ob alle Detektoren auch bereit sind zum Nachweis von Photonen – als Voraussetzung für einen sicheren Schlüssel. Nicht nur diese Art von Angriff, sondern alle bisher berichteten Attacken mit hellen Lichtpulsen können so abgewehrt werden. „Eine sorgfältige Konstruktion und Steuerung vorausgesetzt, bietet die Quantenkryptographie auch weiterhin die perfekte Sicherheit, wie sie eben nur mit Naturgesetzen gewährleistet werden kann“, sagt Weinfurter. Nach erfolgreichen Demonstrationen in Netzwerken (SECOQC/TOKIO) werden sich nun auch kommerziell erhältliche Systeme in naher Zukunft weiter verbreiten. (suwe)

Publikation:
„Quantum eavesdropping without interception: an attack exploiting the dead time of singlephoton detectors“;
Henning Weier, Harald Krauss, Markus Rau, Martin Fürst, Sebastian Nauerth and Harald Weinfurter;
New Journal of Physics online, Juli 2011

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Wie Gene reguliert werden: Das Bild fügt sich zusammen

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Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 17.08.2011

Forscher klären Ursprung von „kleiner RNA“

Wissenschaftler haben den Ursprung einer Klasse von kleinen Ribonukleinsäuren (sRNA für „small RNA“) geklärt. Diese Entdeckung kann zu einem besseren Verständnis der gesamten menschlichen Genaktivität beitragen. So könnten die Wissenschaftler in Zukunft gezielt Gene regulieren und steuern, die an der Entstehung bestimmter Krankheiten beteiligt sind.

Vor kurzem war es noch so einfach: Jahrzehntelang betrachtete man die Ribonukleinsäure (RNA) als ein Molekül, dessen Rolle im Wesentlichen darin zu bestehen schien, als „Bote“ die genetische Information von der DNA im Zellkern in die äußeren Bereiche der Zelle zu transportieren. Dort kann die genetische Information dann als Vorlage für die Produktion von Proteinen dienen. In Form der sogenannten mRNA (für „messenger RNA“) fungiert die RNA dabei als Informationsträger für die Synthese von Proteinen in der Zelle. Für ihre eigene Produktion – die Transkription – ist die mRNA wiederum auf die „molekulare Maschine“ RNA Polymerase II (RNAPII) angewiesen.

Technische Fortschritte haben in den letzten Jahren aber einen tieferen Einblick in die molekularen Prozesse in den Zellen ermöglicht. Dabei wurden neben der mRNA auch weitere RNA-Klassen identifiziert. Allerdings konnten der Ursprung und die Funktion nicht vollständig geklärt werden. Ein internationales Forscherteam, an dem neben Prof. Dr. Gunter Meister und Anne Dueck vom Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie der Universität Regensburg auch Wissenschaftler aus Aarhus, Kopenhagen und Martinsried bei München beteiligt waren, konnte nun den Ursprung einer großen Klasse von sRNA-Molekülen klären.

Die sRNA besteht lediglich aus bis zu 25 Nukleotiden, den Grundbausteinen der Nukleinsäuren DNA und RNA, während beispielsweise mRNA eine Länge von mehreren Tausend Nukleotiden aufweisen kann. Im Gegensatz zu „klassischer“ RNA dienen die sRNA-Moleküle nicht direkt zur Herstellung von Proteinen, sondern greifen regulierend in die vielfältigen Prozesse ein, die auf dem Weg von der nackten genetischen Information zum fertigen Protein ablaufen. Obwohl klein und unscheinbar, sind sie also durchaus „big player“ im Netzwerk der genetischen Regulation.

Im Rahmen ihrer Untersuchungen konnten die Forscher die „Ursprungsorte“ der sRNA identifizieren. Dabei konnten sie zeigen, dass die extrem kurze sRNA ein Produkt des Abbaus der mRNA durch zelluläre Enzyme sein kann. Wenn mRNA produziert wird, passiert der vordere Teil des mRNA-Moleküls einen Tunnel, der durch die RNA Polymerase II (RNAPII) gebildet wird. Die maximale Länge von sRNA-Molekülen entspricht erstaunlicherweise genau der Länge dieses Tunnels. So entstehen die sRNA-Moleküle scheinbar genau dann, wenn die Produktion bzw. Transkription der mRNA abgebrochen wird und das unvollendete mRNA-Molekül vom zellulären Enzym Dicer aufgespalten wird, während das eine sRNA-Molekül im geschützten Tunnel verbleibt. Die Wissenschaftler konnten zudem weitere sRNAs beobachten, die als Beiprodukt oder Überbleibsel eines Prozesses entstehen, den man in der Forschung „splicing“ nennt. Auch dieser Prozess ist von herausragender Bedeutung für die Produktion der wichtigen mRNA.

Es ist bekannt, dass die Produktion bzw. der Transkriptionsprozess von mRNA sehr anfällig für Fehlfunktionen oder Defekte ist. Die Forscher konnten in diesem Zusammenhang zeigen, dass eine Vielzahl von mRNA-Molekülen unvollendet bleibt und diese daraufhin rasch „ausrangiert“ werden. Allerdings besteht das Resultat solcher unvollendeten Transkriptionsprozesse von mRNA nicht aus „genetischem Müll“, sondern aus sRNA-Molekülen, die ihrerseits wiederum wichtige Funktionen im Rahmen der Genregulation übernehmen; frei nach dem Motto: „Doppelt genäht hält besser“.

Die Forscher wollen ihre Beobachtungen nun ausweiten. Dabei werden weitere Genomuntersuchungen sowie die Analyse ausgewählter Gene im Vordergrund stehen. Dadurch soll geklärt werden, wie die RNA Polymerase II (RNAPII) während der Frühphase der mRNA-Transkription kontrolliert wird. Darauf aufbauend könnten künftig auch gezielt Gene reguliert und gesteuert werden, die an der Entstehung bestimmter Krankheiten beteiligt sind.

Die Ergebnisse der Forscher sind vor kurzem in der weltweit bekannten Fachzeitschrift „Nature Structural and Molecular Biology“ veröffentlicht worden (DOI: 10.1038/nsmb.2091). (Alexander Schlaak)

Externer Link: www.uni-regensburg.de

Diamant als Quantenspeicher

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Presseaussendung der TU Wien vom 10.08.2011

Zwei völlig verschiedene Quanten-Systeme wurden an der Technischen Universität (TU) Wien erfolgreich vereint. Das Ergebnis soll den Weg zu praxistauglichen Quanten-Computerchips ebnen.

Quantencomputer gehörten schon seit Jahren zu den großen Zielen der Wissenschaft. Wenn ein gewöhnlicher Computer eine Liste von Aufgaben zu erledigen hat, muss er sie mühsam nacheinander abarbeiten. Ein Quantencomputer könnte verschiedene Zustände gleichzeitig einnehmen – und dadurch verschiedene mögliche Lösungen eines Problems gleichzeitig ausprobieren. Einen wesentlichen Schritt Richtung Quantencomputer könnten nun Diamanten bringen. An der TU Wien gelang es, Mikrowellen an Quanten-Zustände eines Diamanten anzukoppeln. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojektes wurden nun im angesehenen Fachjournal „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Unterschiedliche Quanten-Technologien in einem Chip

Schon lange sucht man nach passenden physikalischen Bausteinen für einen Quantencomputer – bisher jedoch ohne den gewünschten Erfolg. Zwar gab es schon verschiedene Ideen für Systeme, die auf quantenphysikalische Weise Information speichern, doch meist sind sie sehr fragil und instabil. Wenn etwas als Bauelement für einen Computer dienen soll, dann muss es sich sehr rasch umschalten lassen. Gleichzeitig muss es einen quantenphysikalischen Zustand ausreichend lange zuverlässig konservieren können, sodass genug Zeit besteht um damit Rechnungen durchzuführen. „Es gibt kein Quantensystem, das alle Anforderungen gleichzeitig erfüllt“, meint Johannes Majer vom Atominstitut der TU Wien. Mit seinem Forschungsteam koppelte er daher zwei völlig verschiedene Quantensysteme, um die Vorteile beider Seiten nutzen zu können: Mikrowellen und Diamanten.

Lichtteilchen und Diamanten

Auch bei herkömmlichen Computern gibt es einen Prozessor und einen Arbeitsspeicher. Der Prozessor führt schnelle Rechnungen durch, der Speicher soll sich die Ergebnisse möglichst dauerhaft merken. Ähnlich verhalten sich die beiden Quantensysteme zueinander, die auf dem Quanten-Chip an der TU Wien nun vereint wurden: Schnelle Rechenoperationen werden durch einen sogenannten Mikrowellen-Resonator ermöglicht. Sein Quantenzustand wird durch Lichtteilchen im Mikrowellen-Bereich bestimmt. Dieser Mikrowellen-Resonator wird an eine dünne Diamantschicht angekoppelt, in der Quantenzustände gespeichert werden können.

Fehler sind erwünscht

Während man für wertvollen Schmuck möglichst reine, makellose Diamanten sucht, benötigt man für die Quantenexperimente genau das Gegenteil: Hier sind Diamanten mit Fehlern gefragt. Wenn sich im regelmäßigen Kohlenstoff-Gitter des Diamanten nämlich Stichstoff-Atome einschleichen, dann wird der Diamant zwar beinahe schwarz, doch dafür kann er dann Quantenzustände stabil speichern. „Wir konnten zeigen, dass sich in unserem Chip Quanten-Zustände zwischen Mikrowellen und den Stickstoff-Zentren im Diamanten übertragen lassen“, erklärt der TU-Assistent Robert Amsüss. Je mehr Stickstoffatome bei dieser Übertragung beteiligt sind, umso stabiler „merkt“ sich der Diamant den eingespeicherten Quantenzustand. Überraschenderweise konnte bei dem Experiment auch gezeigt werden, dass sich sogar im Drehimpuls der Atomkerne Quantenzustände speichern lassen. „Das könnte der erste Schritt zu einem Atomkern-Speicher sein“, mutmaßt Johannes Majer – doch zunächst soll der Diamant-Quantenchip in seiner jetzigen Form weiterentwickelt werden. Die nötigen Teilelemente sind nun vorhanden – jetzt geht es darum, sie für echte, stabile Rechenoperationen zu nützen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
R. Amsüss et al., Phys. Rev. Lett 107 (2011)

Externer Link: www.tuwien.ac.at