Optimale Information über das Unsichtbare

Presseaussendung der TU Wien vom 25.01.2021

Wie vermisst man Objekte, die man unter gewöhnlichen Umständen gar nicht sehen kann? Universität Utrecht und TU Wien eröffnen mit speziellen Lichtwellen neue Möglichkeiten.

Mit Laserstrahlen kann man präzise messen, wo sich ein Objekt befindet, oder ob es seine Position verändert. Normalerweise braucht man dafür allerdings freie, ungetrübte Sicht auf dieses Objekt – und diese Voraussetzung ist nicht immer gegeben. So möchte man etwa in der Biomedizin oft Strukturen untersuchen, die in eine unregelmäßige, komplizierte Umgebung eingebettet sind. Dort wird der Laserstrahl dann abgelenkt, gestreut und gebrochen, wodurch oft kein sinnvolles Messergebnis mehr möglich ist.

Die Universität Utrecht (Niederlande) und die TU Wien konnten nun aber gemeinsam zeigen: Aus dieser Not lässt sich eine Tugend machen. Der neue Ansatz beruht auf der Möglichkeit, den Laserstrahl gezielt so zu verändern, dass er in der komplexen, ungeordneten Umgebung trotzdem genau die gewünschte Information liefert – und zwar nicht nur ungefähr, sondern auf physikalisch optimale Weise: Mehr Präzision lässt die Natur bei kohärentem Laserlicht gar nicht zu. Die neue Technologie ist in ganz unterschiedlichen Anwendungsgebieten einsetzbar – auch mit unterschiedlichen Arten von Wellen – und wurde nun im Fachjournal „Nature Physics“ präsentiert.

Das Vakuum und das Badezimmerfenster

„Man möchte immer die optimale Messgenauigkeit erreichen – das liegt im Wesen aller Naturwissenschaften“, sagt Stefan Rotter vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Denken wir zum Beispiel an die riesengroße LIGO-Anlage, mit der man Gravitationswellen nachweisen kann: Dort sendet man Laserstrahlen auf einen Spiegel, um Variationen im Abstand zwischen Laser und Spiegel mit extremer Präzision zu messen.“ Das gelingt allerdings nur deshalb so gut, weil sich dort der Laserstrahl durch ein Ultrahochvakuum ausbreitet. Jede noch so kleine Störung soll vermieden werden.

Doch was kann man tun, wenn man es mit Störungen zu tun hat, die sich nicht entfernen lassen? „Stellen wir uns eine Glasscheibe vor, die nicht perfekt transparent, sondern rau und unpoliert ist wie ein Badezimmerfenster“, sagt Allard Mosk von der Universität Utrecht. „Sie lässt zwar Licht durch, aber nicht auf einer geraden Linie. Die Lichtwellen werden verändert und gestreut, daher können wir ein Objekt auf der anderen Seite der Glasscheibe mit freiem Auge nicht genau erkennen.“ Ganz ähnlich ist die Situation, wenn man etwa winzige Objekte im Inneren von biologischem Gewebe untersuchen will: Die ungeordnete Umgebung stört den Lichtstrahl. Aus dem einfachen, regelmäßig-geraden Laserstrahl wird dann ein unübersichtliches Wellenmuster, das in alle Richtungen abgelenkt wird.

Die optimale Welle

Wenn man allerdings genau weiß, was die störende Umgebung mit dem Lichtstrahl macht, kann man die Situation umkehren: Dann nämlich ist es möglich, statt des einfachen, geraden Laserstrahls ein kompliziertes Wellenmuster zu erzeugen, das durch die Störungen genau die gewünschte Form erhält und genau dort auftrifft, wo es das beste Resultat liefern kann. „Um das zu erreichen, muss man die Störungen nicht einmal genau kennen“, erklärt Dorian Bouchet, der Erstautor der Studie. „Es genügt, zuerst passende Wellen durch das System zu schicken um damit zu untersuchen, wie sie durch das System verändert werden.“

Die an dieser Arbeit beteiligten Wissenschaftler entwickelten gemeinsam ein mathematisches Verfahren, mit dem man aus diesen Testdaten dann die optimale Welle berechnen kann: „Man kann zeigen, dass für verschiedene Fragestellungen bestimmte Wellen existieren, die ein Maximum an Information bringen: Etwa über die Raumkoordinaten, an denen sich ein bestimmtes Objekt befindet.“

Wenn man etwa weiß, dass sich hinter einer trüben Milchglasscheibe ein Objekt verbirgt, gibt es eine optimale Lichtwelle, mit der man das Maximum an Information darüber erhalten kann, ob sich das Objekt ein bisschen nach rechts oder ein bisschen nach links bewegt hat. Diese Welle sieht kompliziert und ungeordnet aus, wird dann aber von der Milchglasscheibe exakt so verändert, dass sie beim Objekt genau auf die gewünschte Weise ankommt und das größtmögliche Maß an Information zum experimentellen Messapparat zurückliefert.

Laser-Experimente in Utrecht

Dass die Methode tatsächlich funktioniert, wurde an der Universität Utrecht experimentell bestätigt: Man lenkte Laserstrahlen durch ein ungeordnetes Medium – in Form einer trübe Platte. Das Streuverhalten des Mediums wurde dadurch charakterisiert, dann wurden die optimalen Wellen berechnet, um ein Objekt jenseits der Platte zu analysieren – und das gelang, mit einer Präzision im Nanometer-Bereich.

Dann führte das Team noch weitere Messungen durch, um die Grenzen der Methode auszuloten: Die Zahl der Photonen im Laserstrahl wurde deutlich reduziert, um zu sehen, ob man dann immer noch ein sinnvolles Ergebnis bekommt. Dadurch konnte man zeigen, dass die Methode nicht nur funktioniert, sondern sogar im physikalischen Sinne optimal ist: „Wir sehen, dass die Präzision unserer Methode nur durch das sogenannte Quantenrauschen limitiert wird“, erklärt Allard Mosk. „Dieses Rauschen ergibt sich aus der Tatsache, dass Licht aus Photonen besteht – daran kann man nichts ändern. Doch im Rahmen dessen, was uns die Quantenphysik für einen kohärenten Laserstrahl erlaubt, können wir tatsächlich die optimalen Wellen berechnen um unterschiedliche Dinge zu messen: Nicht nur die Position, sondern auch die Bewegung oder die Drehrichtung von Objekten.“

Diese Ergebnisse wurden im Rahmen eines Programms zur Vermessung von Halbleiterstrukturen im Nanometerbereich erzielt, bei dem Universitäten mit der Industrie zusammenarbeiten. Tatsächlich sieht das Team mögliche Einsatzbereiche für diese neue Technik in ganz unterschiedlichen Bereichen wie beispielsweise in der Mikrobiologie, aber auch in der Herstellung von Chips, wo extrem präzise Messungen ebenfalls unverzichtbar sind. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
D. Bouchet, S. Rotter, A.P. Mosk; Maximum information states for coherent scattering measurements, Nature Physics (2021).

Externer Link: www.tuwien.at

Elektrisch schaltbares Qubit ermöglicht Wechsel zwischen schnellem Rechnen und Speichern

Medienmitteilung der Universität Basel vom 11.01.2021

Quantencomputer benötigen zum Rechnen Qubits als elementare Bausteine, die Informationen verarbeiten und speichern. Physiker haben nun ein neuartiges Qubit realisiert, das sich von einem stabilen Ruhezustand in einen schnellen Rechenmodus umschalten lässt. Das Konzept eignet sich auch, um viele Qubits zu einem leistungsstarken Quantenrechner zu verbinden, berichten Forscher der Universität Basel und der TU Eindhoven in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology».

Im Vergleich zu konventionellen Bits sind Quantenbits (Qubits) viel anfälliger auf Störungen und können ihren Informationsgehalt sehr schnell verlieren. Das Rechnen mit Quanten steht deshalb vor der Schwierigkeit, die empfindlichen Qubits über längere Zeit stabil zu halten und gleichzeitig Wege zu finden, um schnelle Quantenoperationen durchführen zu können. Physiker der Universität Basel und der TU Eindhoven haben nun ein umschaltbares Qubit entwickelt, das beides ermöglichen soll.

Das neuartige Qubit verfügt über einen stabilen, aber langsamen Zustand, der für die Speicherung der Quanteninformation geeignet ist. Über die elektrische Spannung konnten die Forscher das Qubit aber in einen viel schnelleren, dafür weniger stabilen Manipulationsmodus schalten. In diesem Zustand lassen sich mit den Qubits Informationen zügig verarbeiten.

Gezielte Kopplung einzelner Spins

In ihrem Experiment haben die Wissenschaftler die Qubits in Form von sogenannten Lochspins realisiert. Dabei handelt es sich um eine Leerstelle, die entsteht, wenn ein Elektron gezielt aus einem Halbleiter entfernt wird. Das entstehende Elektronenloch besitzt einen Spin, der zwei Zustände annehmen kann: hoch und runter – analog zu den Werten 0 und 1 bei klassischen Bits. Über die Abstimmung von Resonanzfrequenzen können diese Spins im neuen Qubit-Typ selektiv gekoppelt werden – zum Beispiel via ein Photon an andere Spins.

Diese Eigenschaft ist von grosser Bedeutung, setzt der Bau von leistungsfähigen Quantencomputern doch voraus, viele einzelne Qubits gezielt steuern und miteinander verschalten zu können. Die Fähigkeit zur Skalierung ist insbesondere nötig, um die Fehlerrate bei Quantenberechnungen zu verkleinern.

Ultraschnelle Spin-Manipulation

Mit dem elektrischen Schalter konnten die Forscher die Spin-Qubits auch in rekordhafter Geschwindigkeit manipulieren: «Der Spin lässt sich in nur einer Nanosekunde kohärent von oben nach unten drehen», so Studienleiter Prof. Dr. Dominik Zumbühl vom Departement Physik der Universität Basel. «Das würde fast eine Milliarde Schaltungen in einer Sekunde erlauben. Damit nähert sich die Spin-Qubit-Technologie den Taktraten der heutigen konventionellen Computer.»

Die Forscher verwendeten für ihre Experimente einen Halbleiter-Nanodraht aus Silizium und Germanium, der an der TU Eindhoven hergestellt wurde und dessen Durchmesser nur etwa 20 Nanometer beträgt. Entsprechend klein ist auch die Grösse des Qubits, wodurch im Prinzip Millionen oder sogar Milliarden von solchen Qubits auf einem Chip integriert werden können.

Originalpublikation:
Florian N. M. Froning, Leon C. Camenzind, Orson A. H. van der Molen, Ang Li, Erik P. A. M. Bakkers, Dominik M. Zumbühl, and Floris R. Braakman
Ultrafast hole spin qubit with gate-tunable spin–orbit switch functionality
Nature Nanotechnology (2021); doi: 10.1038/s41565-020-00828-6

Externer Link: www.unibas.ch

Thermomagnetische Generatoren wandeln Abwärme auch bei kleinen Temperaturunterschieden in Strom

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 12.01.2021

Legierungsschichtdicke und Grundfläche beeinflussen elektrische Leistung – Publikation in Joule

Die Verwertung von Abwärme trägt wesentlich zu einer nachhaltigen Energieversorgung bei. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und der Universität Tōhoku in Japan sind dem Ziel, Abwärme bei geringen Temperaturdifferenzen in Strom zu wandeln, nun wesentlich näher gekommen. Wie sie in der Zeitschrift Joule berichtet, haben sie bei thermomagnetischen Generatoren, die auf Dünnschichten einer Heusler-Legierung basieren, die elektrische Leistung im Verhältnis zur Grundfläche um den Faktor 3,4 gesteigert. (DOI: 10.1016/j.joule.2020.10.019)

Viele technische Prozesse nutzen die für sie eingesetzte Energie nur zum Teil; der Rest verlässt das System als Abwärme. Häufig entweicht diese Wärme ungenutzt in die Umgebung. Sie lässt sich jedoch auch zur Wärmebereitstellung oder zur Stromerzeugung verwenden. Je höher die Temperatur der Abwärme, desto einfacher und kostengünstiger ihre Verwertung. Eine Möglichkeit, niedrig temperierte Abwärme zu nutzen, bieten thermoelektrische Generatoren, welche die Wärme direkt in Strom wandeln. Bisher verwendete thermoelektrische Materialien sind allerdings teuer und teilweise toxisch. Thermoelektrische Generatoren erfordern zudem große Temperaturdifferenzen für Wirkungsgrade von nur wenigen Prozent.

Eine vielversprechende Alternative stellen thermomagnetische Generatoren dar. Sie basieren auf Legierungen, deren magnetische Eigenschaften stark temperaturabhängig sind. Die wechselnde Magnetisierung induziert in einer angelegten Spule eine elektrische Spannung. Bereits im 19. Jahrhundert stellten Forschende die ersten Konzepte für thermomagnetische Generatoren vor. Seitdem hat die Forschung mit verschiedenen Materialien experimentiert. Die elektrische Leistung ließ bisher allerdings zu wünschen übrig.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT sowie an der Universität Tōhoku in Japan ist es nun gelungen, die elektrische Leistung von thermomagnetischen Generatoren im Verhältnis zur Grundfläche erheblich zu steigern. „Mit den Ergebnissen unserer Arbeit können thermomagnetische Generatoren erstmals mit etablierten thermoelektrischen Generatoren konkurrieren. Wir sind damit dem Ziel, Abwärme bei kleinen Temperaturunterschieden in Strom zu wandeln, wesentlich näher gekommen“, sagt Professor Manfred Kohl, Leiter der Forschungsgruppe Smart Materials and Devices am IMT des KIT. Die Arbeit des Teams ist Titelthema in der aktuellen Ausgabe der Energieforschungszeitschrift Joule.

Vision: Abwärmenutzung nahe Raumtemperatur

Sogenannte Heusler-Legierungen – magnetische intermetallische Verbindungen – ermöglichen als Dünnschichten in thermomagnetischen Generatoren eine große temperaturabhängige Änderung der Magnetisierung und eine schnelle Wärmeübertragung. Auf dieser Grundlage basiert das neuartige Konzept der resonanten Selbstaktuierung. Selbst bei geringen Temperaturunterschieden lassen sich die Bauelemente zu resonanten Schwingungen anregen, die effizient in Strom gewandelt werden können. Doch die elektrische Leistung einzelner Bauelemente ist gering, und bei der Hochskalierung kommt es vor allem auf Materialentwicklung und Bauweise an. Die Forschenden am KIT und an der Universität Tōhoku stellten in ihrer Arbeit anhand einer Nickel-Mangan-Gallium-Legierung fest, dass die Dicke der Legierungsschicht und die Grundfläche des Bauelements die elektrische Leistung in entgegengesetzter Richtung beeinflussen. Aufgrund dieser Erkenntnis gelang es ihnen, die elektrische Leistung im Verhältnis zur Grundfläche um den Faktor 3,4 zu steigern, indem sie die Dicke der Legierungsschicht von fünf auf 40 Mikrometer erhöhten. Die thermomagnetischen Generatoren erreichten eine maximale elektrische Leistung von 50 Mikrowatt pro Quadratzentimeter bei einer Temperaturänderung von nur drei Grad Celsius. „Diese Ergebnisse ebnen den Weg zur Entwicklung maßgeschneiderter parallel geschalteter thermomagnetischer Generatoren, die das Potenzial zur Abwärmenutzung nahe Raumtemperatur besitzen“, erklärt Kohl. (or)

Originalpublikation:
Joel Joseph, Makoto Ohtsuka, Hiroyuki Miki, and Manfred Kohl: Upscaling of Thermomagnetic Generators Based on Heusler Alloy Films. Joule, 2020. DOI: 10.1016/j.joule.2020.10.019

Externer Link: www.kit.edu

Wirkt sie oder wirkt sie nicht? Neue JKU Methoden erlauben einfache Prüfung der Wirksamkeit von Mund-Nasen-Masken

Presseaussendung der JKU Linz vom 04.01.2021

Er ist wahrscheinlich das Symbol für 2020: der Mund-Nasen-Schutz. Allgegenwärtig, wenngleich in seiner Wirkung nicht unumstritten. Ob eine „Maske“ tatsächlich Schutz vor Ansteckung bietet, muss mit einem speziellen Messgerät überprüft werden. Forscher*innen der Johannes Kepler Universität Linz haben nun eine Methode entwickelt, mit der die Wirkung der MNS-Masken ebenso genau überprüft werden kann – und das weitaus einfacher und kostengünstiger.

Gesichtsmasken gibt es mittlerweile in den unterschiedlichsten Formen und Farben. Vor allem für das Gesundheitspersonal und andere systemrelevante Mitarbeiter*innen ist es wichtig zu prüfen, ob eine Maskenlieferung den Anforderungen entspricht. Die Durchlässigkeit für Aerosole wird üblicherweise mit einem Penetrometer gemessen. In diesem Gerät werden Aerosoltröpfchen von öligen Flüssigkeiten erzeugt und der Prozentsatz jener Tröpfchen gemessen, der die Maske passieren kann. Diese Geräte sind aber teuer – und teilweise schwer erhältlich. Forscher der JKU vom Institut Medizin- und Biomechatronik und dem Kepler Universitätsklinikum haben daher im Rahmen eines EU-Projekts mit ihren Kooperationspartnern eine einfache und kostengünstige Methode entwickelt, die praktisch jedem zugänglich ist.

Zur Erzeugung des Prüfaerosols wird eine handelsübliche E-Zigarette verwendet. Die Tröpfchen, die E-Zigaretten herstellen, sind mit einem Durchmesser von 300 Nanometern genau so groß, dass sie möglichst gut durch Filter und andere Barrieren durchgehen. Die Menge an Aerosoltröpfchen, die durch eine Probe des zu untersuchenden Filtermaterials gelangt, wird dann gemessen. Das kann entweder mit einer Feinwaage geschehen oder mit einem Lichtstreuungsdetektor, der aus einfachen und kostengünstigen elektronischen Komponenten gebaut wurde. Dieser Lichtstreuungsdetektor wurde eigentlich als Erstsemester-Praktikumsprojekt für die Harnanalyse von einem JKU Studierenden des Medical Engineering Studiengangs entwickelt und gebaut. Irgendwann kam die Idee: Mit diesem Detektor könnte man doch auch Aerosoltröpfchen in der Luft zählen.

Und wie zuverlässig sind diese Methoden nun? „Wir haben zahlreiche Masken getestet – von FFP3-Masken bis zu einfachen Baumwoll- oder Kunstfasertüchern“, erklären die Forscher*innen. „Das deckt eine enorme Bandbreite ab mit Durchlässigkeiten von 1-60%, wobei Baumwolle im Gegensatz zu vielen Kunstfasern eigentlich recht gut schützt“, so Institutsvorstand Prof. Werner Baumgartner.

Das Wichtigste aber: Die JKU Methode liefert Ergebnisse, die denen hochpreisiger High-End-Penetrometer entspricht. „Damit geben unsere Ansätze dem medizinischen Personal die Möglichkeit, selbst rasch zu überprüfen, ob eine Maskenlieferung den Anforderungen entspricht. Zudem kann man die Effizienz auch über die Zeit auf eventuelle Veränderungen testen. So konnte festgestellt werden, dass manche Masken mit der Tragezeit sehr schnell schlechter werden, andere halten deutlich länger“, sagt Baumgartner.

„Der Mund-Nasen-Schutz wird uns als vorbeugende Maßnahme noch längere Zeit begleiten, daher ist es enorm bedeutsam, die Wirksamkeit zuverlässig und schnell durch vor Ort entwickelte Testsysteme überprüfen zu können. Die erfolgreiche Forschungsarbeit von Prof. Baumgartner und seinem Team zeigt beispielhaft, welches Potenzial in der Zusammenarbeit von Medizin und Mechatronik liegt“, sagt Bernd Lamprecht, Vorstand der Klinik für Lungenheilkunde am Kepler Universitätsklinikum und Vizestudiendekan der Medizinischen Fakultät der Johannes Kepler Universität Linz.

Mehrere Beispiele über die Verwendung von fehlerhaften Masken und die daraus resultierenden Gesundheitsrisiken zeigen, dass einfache, schnelle, preiswerte und breit verfügbare Methoden zur Filtercharakterisierung enorm nützlich sein können, auch wenn die Corona-Pandemie irgendwann kein Thema mehr sein sollte.

Eine Publikation, die diese Methode beschreibt, wurde als Preprint publiziert, ist bei einem renommierten Magazin eingereicht und befindet sich derzeit in Begutachtung. (Sonja Raus)

Externer Link: www.jku.at