Archiv für den Monat August 2012

Unerwartete Kühleffekte rücken Quantencomputer näher

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 29.08.2012

In der experimentellen Physik kann das Kühlen auf immer tiefere Temperaturen zur Entdeckung neuer Naturgesetze führen. Das Team um Prof. Dominik Zumbühl von der Universität Basel hat nun in Zusammenarbeit mit dem IBM-Forschungslabor in Rüschlikon beobachtet, dass in Nanostrukturen bei sehr tiefen Temperaturen ein bislang etabliertes Naturgesetz verletzt wird. Diese Entdeckung könnte wichtige Konsequenzen für den Bau eines Quantencomputers haben. Zusammen mit der Aalto-Universität in Finnland konnten die Basler Physiker zudem den bisher kältesten «Kühlschrank» für Nanostrukturen entwickeln. Die Resultate sind in den Fachzeitschriften «Physical Review Letters» und «Review of Scientific Instruments» publiziert.

Nanostrukturen – beispielsweise auf Quantenmechanik basierende elektronische Bauteile – sind vielversprechende Kandidaten für die Entwicklung eines Quantencomputers. Soll ein solcher Computer die ihm vorausgesagte enorme Rechenleistung erbringen, müssen die Nanostrukturen auf Temperaturen nahe am absoluten Nullpunkt gekühlt werden. Erst bei diesen extremen Bedingungen lassen sich die magnetischen Eigenschaften einzelner Elektronen, die Spins, kontrollieren. Ein Forscherteam um den Basler Physikprofessor Dominik Zumbühl hat nun zusammen mit dem IBM-Forschungslabor in Rüschlikon entdeckt, dass sich bei diesen Temperaturen die Spins innerhalb der Nanostrukturen deutlich besser kontrollieren lassen als bisher angenommen.

Naturgesetz bei tiefen Temperaturen verletzt

Das sogenannte Korringa-Gesetz ist ein Naturgesetz, das die Kopplung zwischen dem Magnetismus (Spin) der Elektronen und demjenigen der Kerne in einem Metall beschreibt. Es besagt, dass die Kopplungsstärke der Kernspins proportional zur Temperatur der Elektronen ist. Die Forscher untersuchten diese Kopplung mit einer neu entwickelten Methode und stellten dabei fest, dass das Korringa-Gesetz bei sehr tiefen Temperaturen verletzt ist.

Die auf elektronischen Messungen basierende Methode verwendet ein sogenanntes Spin-Valve, mit dem magnetisch polarisierte Elektronen im metallischen Halbleiter Galliumarsenid (GaAs) kontrolliert erzeugt werden können. Mit der Spin-Valve-Methode konnten die Forscher nun zeigen, dass die Kopplung zwischen dem Magnetismus von Elektronen und Kernen in GaAs wesentlich stärker ist als erwartet. Mit der entdeckten stärkeren Kopplung von Elektronen- und Kernspin könnte man mit einer bereits etablierten magnetischen Kühltechnik für Kerne künftig eine bessere Kühlung der Elektronen erzielen.

Kältester Nano-Kühlschrank

Ein Quantencomputer löst komplexe Rechenvorgänge wie Klimasimulationen in einem Bruchteil der Zeit, die der beste heute existierende Computer benötigt. Elektronen in GaAs-Nanostrukturen gehören zu den bedeutendsten Anwärtern für die Realisierung eines künftigen Quantencomputers. Diese Idee geht auf den Basler Physikprofessor Daniel Loss zurück, der dafür mit dem Marcel-Benoist-Preis 2010 ausgezeichnet wurde. Ein solcher Quantencomputer kann nur bei sehr tiefen Temperaturen funktionieren. Die Basler Physiker haben zu diesem Zweck mit Unterstützung eines Starting Grant des European Research Council einen Kühlschrank speziell für Nanostrukturen entwickelt, welcher nun Temperaturen von weniger als einem tausendstel Grad Celsius über dem absoluten Temperaturnullpunkt erreicht hat. Damit erzielten die Forscher den Kälterekord für einen Nanostruktur-Kühlschrank. Bei solch tiefen Temperaturen wird allgemein eine stark dezimierte Fehlerrate beim künftigen Quantencomputing erwartet. Ausserdem erhoffen sich die Forscher, bei den tiefsten Temperaturen eine neue Art von Materie zu entdecken.

Originalbeiträge:

D. Kölbl, D. M. Zumbühl, A. Fuhrer, G. Salis, S. F. Alvarado
Breakdown of the Korringa Law of Nuclear Spin Relaxation in Metallic GaAs
Phys. Rev. Lett. 109, 086601 (2012) | doi: 10.1103/PhysRevLett.109.086601

L. Casparis, M. Meschke, D. Maradan, A. C. Clark, C. Scheller, K. K. Schwarzwälder, J. P. Pekola, D. M. Zumbühl
Metallic Coulomb Blockade Thermometry down to 10 mK and below
Rev. Sci. Instr. 83, 083903 (2012) | doi: 10.1063/1.4744944

Externer Link: www.unibas.ch

Sand fließt leichter in feuchtem Zustand

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 27.08.2012

Nasser Sand fließt leichter als trockener. Das wussten schon die alten Ägypter, die Sand mit Wasser begossen, bevor sie schwere Lasten darüber zogen. Das Transportverhalten von feuchtem Sand haben Physiker der Saar-Uni um Professor Christian Wagner gemeinsam mit Kollegen der Universitäten Lüttich und Amsterdam unter die Lupe genommen: In Messungen mit einer eigens konstruierten Zelle konnten sie zeigen, dass Sand anfängt zu fließen, sobald eine bestimmte Krafteinwirkung überschritten ist. Ihre Forschungsergebnisse wurden jetzt in Physical Review E publiziert.

Beim Bau ihrer Pyramiden mussten die alten Ägypter riesige Steinquader und Statuen über den Sand transportieren. Damit sich die Kolosse besser bewegen ließen, befeuchteten sie den Sand zuvor mit Wasser. Dies ist detailliert auf einem Wandgemälde aus der Grabkammer von Tehuti-Tehep aus dem Jahre 1880 v.Chr. dargestellt und in Texten beschrieben.

Fast viertausend Jahre später haben Forscher der Universität des Saarlandes in Kooperation mit Kollegen der Universitäten Lüttich und Amsterdam gezeigt, dass feuchter Sand tatsächlich einfacher zu verformen ist, sobald die auf ihn einwirkende Kraft eine gewisse Grenze – die so genannte Fließgrenze – überschritten hat. Dazu haben die Wissenschaftler um Physik-Professor Christian Wagner eine spezielle Zelle konstruiert, mit der sich die Kraft messen lässt, die man benötigt, um Sand durch eine Röhre zu drücken. Vergleichbar ist dies mit dem Ausquetschen einer Zahnpasta-Tube: Ab einem gewissen Druck fließt die Masse aus der Tube, auf der Zahnbürste – also ohne Krafteinwirkung – ist sie wieder fester.

„Im feuchten Sand halten die Wassertröpfchen die Sandkörner durch Kapillarbrücken zusammen, es bilden sich kleine Sandklümpchen“, erläutert Christian Wagner. „Deshalb lassen sich auch nur aus feuchtem Sand Burgen bauen.“ Umso schwieriger sei die Vorstellung, dass angefeuchteter Sand leichter fließt. „Der Grund ist, dass sich zwischen den Sandklümpchen größere Luftlöcher befinden, die den Sand-Agglomeraten größere Bewegungsfreiheit erlauben“, so Wagner. Auf diese Weise könnte Transportenergie eingespart werden. Die Ergebnisse ließen sich auch auf alle anderen Granulate, wie Pulver oder Baumaterialien für den Straßenbau, übertragen, bei deren Verarbeitung weltweit riesige Energiemengen verbraucht werden.

Erstautor der Publikation ist der Argentinier Dr. Jorge Fiscina, der bereits im Rahmen eines von der Alexander von Humboldt-Stiftung finanzierten Georg-Forster Forschungsstipendiums im Team von Professor Christian Wagner gearbeitet hat. Der Gastwissenschaftler hält sich auch derzeit wieder für Forschungsarbeiten an der Saar-Uni auf.

Publikation:
Die Arbeit “Dissipation in quasistatically sheared wet and dry sand under confinement” wurde am 24. August in Physical Review E (Vol. 86, No. 2) publiziert.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Raum-Zeit-Symmetrie macht optische Systeme unsichtbar

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Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 09.08.2012

FAU-Forscher untersuchen Zusammenspiel von Lichtverstärkung und -verlusten

Physiker der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) haben erstmals experimentell nachgewiesen, dass ein optisches System von einer Seite quasi unsichtbar sein und von der anderen wie ein Spiegel wirken kann. Die Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature“ publiziert.

Eines der Kernthemen der modernen Optik ist die Entwicklung photonischer Materialien und komplexer Systeme mit neuen Eigenschaften und hohem Anwendungspotential. Solche Metamaterialien beruhen derzeit vor allem auf der Manipulation der Lichtbrechung im Subwellenlängenbereich – auch so genannte „optische Tarnkappen“ funktionieren nach diesem Prinzip. Vor kurzem wurde entdeckt, dass die Lichtausbreitung auch durch ein gezieltes Wechselspiel von Verstärkung und Verlusten substanziell beeinflusst werden kann. Dazu muss eine bestimmte Symmetriebedingung – die Parity-Time-Symmetrie (PT) – eingehalten werden, so dass bei einer Raum-Zeit-Spiegelung die Verstärkung und Verluste des Lichts ineinander überführt werden.

„Dieses neue Konzept wurde interessanterweise zuerst als alternative Interpretation der Quantentheorie entwickelt“, erklärt Prof. Dr. Ulf Peschel vom Institut für Optik, Information und Photonik der FAU. Gemeinsam mit dem Erlanger Max-Planck-Institut und ihren Kollegen aus Orlando konnten die Forscher dieses Prinzip jetzt auf die Optik übertragen und auf Lichtpulse in einem großen optischen Netzwerk anwenden. In ihren Experimenten zeigten die Wissenschaftler, dass sich Licht in Faserschleifen mit periodisch gesteuerter Verstärkung und Verlusten grundsätzlich anders ausbreitet als in konventionellen Materialien: Die Leistung optischer Felder kann sich nahezu explosionsartig verändern – in bestimmten Parameterbereichen bewegen sich die Flanken von Lichtpulsen mit Überlichtgeschwindigkeit.

Dank des Wechselspiels von Verstärkung und Verlusten werden so genannte PT-symmetrische Materialien sogar partiell unsichtbar: „Fällt ein Lichtstrahl von einer Seite auf das Medium, wird er vollständig und ohne jegliche Reflexionen transmittiert – das Licht verhält sich so, als sei kein Streukörper vorhanden“, erklärt Prof. Peschel. „Kommt der gleiche Lichtstrahl dagegen von der entgegengesetzten Seite, treten extrem starke Reflexionen auf.“ Das in den Experimenten angewendete Verfahren kann direkt auf mikrostrukturierte optische Systeme übertragen werden, wo es völlig neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnet.

In dem Projekt arbeiten Wissenschaftler des Instituts für Optik, Information und Photonik der FAU, des Exzellenzclusters „Engineering of Advanced Materials“ (EAM), der Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies (SAOT), des Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und der University of Central Florida in Orlando zusammen. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht (DOI:10.1038/nature11298).

Externer Link: www.uni-erlangen.de

Plastikmüll in Gewässern

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Presseinformation der LMU München vom 03.08.2012

Plastikmüll landet oft in Gewässern und verbleibt dort mit ungewissen Folgen für das Ökosystem. Weil diese Kontamination nun erstmals präzise analysiert werden kann, lassen sich auch die Auswirkungen auf Mensch und Tier besser untersuchen.

Synthetische Kunststoffe sind fester Bestandteil des modernen Lebens – nicht zuletzt als kaum abbaubarer Abfall. Ein Großteil davon gelangt über die Flüsse ins Meer. Im Nordpazifik etwa hat sich mit dem „Great Pacific Garbage Patch“ ein gigantischer schwimmender Teppich aus Plastikmüll gebildet, der eine Gefahr für die dort lebenden Organismen darstellt. Werden die bunten Kunststoffteile mit natürlicher Nahrung verwechselt und gefressen, können sie den Verdauungstrakt blockieren oder aber den Hormonhaushalt der Tiere massiv stören.

Kleinere Kunststoffpartikel im Millimeter- und Mikrometerbereich sind nicht weniger weit verbreitet und nicht weniger gefährlich, vor allem weil sie sich über „Bioakkumulation“ entlang der Nahrungskette anreichern. Bislang konnte die Verschmutzung aquatischer Ökosysteme durch Kunststoffe aber nicht exakt bestimmt und damit das Risiko nicht umfassend abgeschätzt werden. „Mit Hilfe einer neuen Methode können wir jetzt ökologisch relevante Plastikpartikel aus dem Sediment über eine Dichtetrennung quantifizieren“, sagt der LMU-Biologie Professor Christian Laforsch.

Plastik auf dem Prüfstand

Der „Munich Plastic Sediment Separator“ (MPSS) wurde zusammen mit Forschern der TU München aus dem Institut für Wasserchemie und Chemische Balneologie in München entwickelt. Das Gerät erlaubt, unterschiedliche Plastikpartikel bis zu einer Größe von weniger als einem Millimeter aus aquatischem Sediment zu extrahieren, zu quantifizieren und auch zu identifizieren. „Unsere Methode ist herkömmlichen Ansätzen deutlich überlegen“, sagt Hannes Imhof, der Erstautor der Studie.

Viele Anwendungen sind denkbar, denn eine Separations und-Identifikationsrate von bis zu 100 Prozent ist bislang unerreicht, auch etwa in der Recycling-Industrie. „Die Problematik rund um Plastikmüll in aquatischen Ökosystemen ist ein hochaktuelles und zukunftsträchtiges Forschungsgebiet“, sagt Laforsch. „Wir können jetzt die Belastung von Gewässern mit Plastik exakt nachweisen und damit die Auswirkungen auf die Lebewesen in diesen essentiellen und zugleich hochempfindlichen Lebensräumen untersuchen. Über das Trinkwasser und Speisefische gehört dazu natürlich nicht zuletzt auch der Mensch.“ (suwe)

Publikation:
Limnology and Oceanography: Methods, Juli 2012

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Molekül gegen HIV: kleine Änderung, große Wirkung

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Pressemitteilung (Neues aus der Forschung) der TU München vom 09.08.2012

Potenzieller Wirkstoff-Kandidat gegen AIDS zeigt erhöhte Aktivität

Im Kampf gegen AIDS haben Wissenschaftler einen neuen viel versprechenden Therapieansatz gefunden – mit denkbar einfachen Mitteln. Obwohl sie die Form eines bereits bekannten synthetischen Anti-HIV-Moleküls nur leicht veränderten, erzielten sie eine große Wirkung: Das neue Mini-Protein dockt besser an CXCR4-Rezeptoren auf der Oberfläche von Immunzellen an, einem bevorzugten Angriffspunkt für häufig vorkommende HIV-Varianten. Damit ist dem Aids-Erreger der Eintritt in die Zellen verwehrt, die Viren können sich nicht weiter im Organismus ausbreiten. Diese Resultate wurden kürzlich in der internationalen Ausgabe des Fachmagazins „Angewandte Chemie“ veröffentlicht.

Die unterschiedlichen Erreger des HIV-1-Virenstammes verschaffen sich Zugang zu den Immunzellen, indem sie an die Zell-Rezeptoren CCR5 oder CXCR4 andocken. An diese Bindungsstellen heften sich üblicherweise körpereigene Botenstoffe, so genannte Chemokine. Während es bereits ein CCR5-spezifisches HIV-Medikament gibt, ist für CXCR4 bisher kein Arzneimittel zugelassen. Da das neue, ringförmige Peptid – ein Mini-Protein – den CXCR4-Rezeptor für das Virus blockiert, könnte es sich als ein interessanter Wirkstoff-Kandidat gegen HIV und AIDS erweisen.

Das Forschungsprojekt wurde von Wissenschaftlern vom Lehrstuhl für Pharmazeutische Radiochemie und am Institute for Advanced Study der TUM initiiert und gemeinsam mit Molekularbiologen der Universität Neapel und Virologen des Helmholtz Zentrum München durchgeführt. Die TUM-Wissenschaftler um Prof. Dr. Hans-Jürgen Wester und Prof. Dr. Dr. h.c. Horst Kessler hatten ursprünglich an einem neuen Bildgebungs-Verfahren für Tumore gearbeitet. Dafür nutzten sie ringförmige Proteinschnipsel, die sie veränderten, um ihre spezifische Bindung an den CXCR4-Rezeptor zu erhöhen. Dabei erkannten sie, dass diese Methode auch ein enormes Potenzial für die Arzneimittelforschung birgt.

Die Wissenschaftler bauten das Peptid mit einem einfachen Trick um: Sie verschoben eine Aminosäuren-Seitenkette von Kohlenstoff zu einem benachbarten Stickstoff-Atom. So veränderten sie die Grundstruktur des Moleküls zwar nur geringfügig – seine biologischen Eigenschaften dafür umso mehr: Die Bindungsgruppen des Peptids befinden sich jetzt in einer optimalen Stellung, um an den CXCR4-Rezeptor anzudocken. Damit bindet das Peptid 400- bis 1.500-mal besser an CXCR4 als bisher bekannte andere Verbindungen, die derzeit als Wirkstoffe getestet werden.

Zudem weist das künstliche Peptid Merkmale auf, die seinen Einsatz im Organismus begünstigen. Sein besonderer chemischer Aufbau schützt das ringförmige Molekül vor der Zerstörung durch körpereigene Enzyme. Da CXCR4-Rezeptoren auch eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Krebsmetastasen spielen, benutzen die Münchner Forscher eine abgewandelte Form dieses Moleküls bereits für die Bildgebung von Tumoren.

„Wir freuen uns, dass wir mit unserem neues Peptid-Design einen Wirkstoff entwickelt haben, den wir für die Therapie lebensbedrohender Krankheiten anwenden können“, sagt Prof. Horst Kessler, ein Senior Fellow im TUM Institute for Advanced Study und „Emeritus of Excellence“ in der Fakultät für Chemie. „Das Molekül könnte eine wirksame Waffe gegen besonders aggressive HIV-1-Stämme sein. Diese Viren finden wir häufig bei Patienten, die seit langer Zeit HIV-infiziert sind“, ergänzt Prof. Ruth Brack-Werner, Virologin am Helmholtz Zentrum München. „Verbindungen dieser Art bieten ungeahnte Möglichkeiten für die Entwicklung neuer Medikamente“, erklärt Prof. Hans-Jürgen Wester, Leiter des Lehrstuhls für Pharmazeutische Radiochemie. „Wir warten daher mit großer Spannung auf die ersten präklinischen und klinischen Tests.“

Die Forschungsarbeit wurde von der Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder (TUM-IAS, Center of Integrated Protein Research Munich), der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG SFB 824, Unterprojekt B5) und dem Helmholtz Zentrum München unterstützt.

Originalpublikation:
A Conformationally Frozen Peptoid Boosts CXCR4 Affinity and Anti-HIV Activity. Oliver Demmer, Andreas O. Frank, Franz Hagn, Margret Schottelius, Luciana Marinelli, Sandro Cosconati, Ruth Brack-Werner, Stephan Kremb, Hans-Jürgen Wester, and Horst Kessler. Angewandte Chemie Int. Ed.  2012, 51, 8110-8113, DOI: 10.1002/anie.201202090

Externer Link: www.tu-muenchen.de