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Zweidimensionaler Quanten-Freeze

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Medieninformation der Universität Innsbruck vom 06.03.2023

Nanoteilchen in zwei Bewegungsrichtungen in Quanten-Grundzustand gekühlt.

Forschern an der ETH Zürich und dem TII Abu Dhabi ist es mit Unterstützung von Innsbrucker Quantenphysikern gelungen, die Bewegung eines winzigen Glaskügelchens in zwei Richtungen gleichzeitig in den Quanten-Grundzustand abzukühlen. Dies stellt einen entscheidenden Schritt auf dem Weg zu einer 3D-Grundzustandskühlung eines massiven Teilchens dar und eröffnet neue Möglichkeiten für den Bau von hochempfindlichen Sensoren.

In einem Hochvakuum mit Laserlicht kontrollierte Nanoteilchen gelten als vielversprechende Plattform, um die Grenzen der Quantenwelt auszuloten. Seit der Formulierung der Quantentheorie ist nämlich die Frage unbeantwortet geblieben, ab welcher Größe ein Objekt den Gesetzen der Quantenphysik und nicht den Regeln der klassischen Physik unterliegt.

Ein Team um Lukas Novotny (Zürich), Markus Aspelmeyer (Wien), Oriol Romero-Isart (Innsbruck) und Romain Quidant (Zürich) versucht im Rahmen des ERC-Synergy-Projekts QXtreme genau diese Frage zu beantworten. Ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel ist es, die in der Bewegung des Nanoteilchen gespeicherte Energie so weit als möglich zu reduzieren, das Teilchen also in den sogenannten Quantengrundzustand abzukühlen.

Kühlen in allen Dimensionen

Das Q-Xtreme-Team arbeitet seit längerem gemeinsam an der Grundzustandsabkühlung von Nanopartikeln. Mehrere Experimente in Zürich und Wien, unterstützt durch theoretische Berechnungen von Carlos Gonzalez-Ballestero und Oriol Romero-Isart von der Universität Innsbruck und dem IQOQI Innsbruck, haben zu den ersten Demonstrationen einer solchen Grundzustandskühlung eines Nanoteilchens geführt, entweder durch Dämpfung der Teilchenbewegung mittels elektronischer Steuerung (aktive Rückkopplung) oder durch Platzierung des Teilchens zwischen zwei Spiegeln (resonatorbasierte Kühlung). Bei all diesen Experimenten wurde der Grundzustand nur entlang einer der drei Bewegungsrichtungen der Teilchen erreicht, so dass die Bewegung entlang der beiden anderen Richtungen „heiß“ blieb.

„Die Abkühlung in den Grundzustand in mehr als einer Richtung ist der Schlüssel zur Erforschung neuer Quantenphysik“, betont Carlos Gonzalez-Ballestero vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und dem Institut für Theoretische Physik der Universität Innsbruck. „Bislang war es jedoch schwierig, die Spiegel, zwischen denen das Teilchen positioniert wird, effizient mit der Bewegung des Teilchens in mehreren Richtungen in Wechselwirkung zu bringen.“ Der sogenannte „Dark State Effect“ verhindert die Abkühlung in den vollständigen Grundzustand.

Mit unterschiedlichen Frequenzen zum Ziel

Nun gelang es dem Photonik-Labor an der ETH Zürich erstmals die Grundzustandskühlung eines Nanoteilchen entlang zweier Bewegungsachsen. Dabei wird ein Glaskügelchen, das etwa tausendmal kleiner als ein Sandkorn ist, im Hochvakuum vollständig von seiner Umgebung isoliert und mit einem stark fokussierten Laserstrahl in der Schwebe gehalten und gleichzeitig bis nahe an dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Basierend auf theoretischen Vorarbeiten des Innsbrucker Teams konnten die Schweizer Physiker das Problem des Dunkelzustands umgehen. „Wir haben dazu die Frequenzen, mit denen das Teilchen in den beiden Richtungen schwingt, unterschiedlich gestaltet und die Polarisation des Laserlichts sorgfältig eingestellt“, sagt Lukas Novotny von der ETH Zürich.

Die in der Fachzeitschrift Nature Physics erschienene Arbeit demonstriert, dass es möglich ist, den minimalen Energiezustand für alle drei Bewegungsrichtungen zu erreichen. Das neue Setup ermöglicht es auch, fragile Quantenzustände in zwei Richtungen zu erzeugen, die zum Beispiel zur Herstellung von extrem empfindlichen Gyroskopen und Sensoren verwendet werden könnten.

Die Forschungen wurden unter anderem vom Europäischen Forschungsrat ERC und der Europäischen Union finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
Simultaneous ground-state cooling of two mechanical modes of a levitated nanoparticle. Johannes Piotrowski, Dominik Windey, Jayadev Vijayan, Carlos Gonzalez-Ballestero, Andrés de los Ríos Sommer, Nadine Meyer, Romain Quidant, Oriol Romero-Isart, René Reimann, Lukas Novotny. Nature Physics 2023

Externer Link: www.uibk.ac.at

Studierende bauten Prototyp einer Passagierdrohne

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Pressemitteilung der TH Ingolstadt vom 07.03.2023

Wie fühlt sich der Flug mit einer Passagierdrohne an? Diese Frage wollten Forschende und Studierende der Technischen Hochschule Ingolstadt beantworten. Zu diesem Zweck konstruierten sie einen Prototyp, der bald auch von der Öffentlichkeit in Augenschein genommen werden kann.

Von München nach Ingolstadt mit dem Flugtaxi fliegen und dafür per App das Ticket kaufen und bequem einchecken. Was nach einer Zukunftsvision klingt, wollten Studierende des Master-Studiengangs „User Experience Design“ (UXD) der Technischen Hochschule Ingolstadt (THI) so praxisnah wie möglich umsetzen. Sie bauten dazu den Prototyp einer Passagierdrohne, womit der gesamte Prozess von der Buchung eines Sitzplatzes bis zur Durchführung des Flugs dargestellt werden kann. Der Prototyp verfügt über vier Sitzplätze und wurde im Maßstab 1:1 konstruiert. Ziel ist aber nicht, dass die „AirDrone“ eines Tages abhebt, sondern die Erfahrungen eines Anwenders beim simulierten Flug einzuordnen. Damit die Ergebnisse auch langfristigen Nutzen haben, legte Professor Andreas Riener, Leiter des Studiengangs „User Experience Design“ (UXD), großen Wert darauf, dass alle Schritte so realitätsnah wie möglich umgesetzt wurden.

Was ist den Fluggästen wichtig?

Der Prototyp soll veranschaulichen, welche Konzepte und Visualisierungen an Bord gebraucht werden, die vielleicht später sogar den Bau beeinflussen könnten. Besonders spannend war das Thema Sitzplatzauswahl: „Aufgrund der Sensitivät des Gewichts werden nicht zwei schwere Personen links und zwei leichte Personen rechts Platz nehmen können“, erklärt Professor Riener. Die Buchungs-App, bei der ursprünglich eine Sitzplatzauswahl möglich war, musste dahingehend wieder angepasst werden. Da Drohnen im Vergleich zu Passagierflugzeugen eine geringere Flughöhe und ein geringeres Eigengewicht aufweisen, ist der Flug ruckeliger, was die Akzeptanz beeinträchtigt.

Weitere wichtige Erkenntnisse umfassen Vorlieben zur Mitnahme von Gepäck: Aufgrund der Gewichtsproblematik wurde geprüft, in wie weit es akzeptiert wäre, schwereres Gepäck am Boden – getrennt vom Passagier – zu transportieren. Das Ergebnis war: Der Großteil der Fluggäste möchte, auch zu einem höheren Preis, sein Gepäck stets mit sich führen. Ein weiteres Akzeptanzthema ist die Fernüberwachung (Teleoperation) der Drohne von einem Leitstand aus, anstatt wie derzeit vorgesehen, einem Piloten an Bord. Aktuell werden dazu Studien durchgeführt, um die Haltung potentieller Fluggäste abzufragen sowie notwendige Informations- und Interaktionskonzepte zu entwickeln.

Selbst in Passagierdrohne Platz nehmen

Während das Studierendenprojekt abgeschlossen ist, läuft das öffentliche Förderprojekt noch weiter. Die wissenschaftliche Mitarbeiterin Patricia Appel wird sich, ausgehend von den Erkenntnissen, im Rahmen ihrer Promotion weiter mit Sicherheitsaspekten bei Passagierdrohnen beschäftigten. Außerdem kann die Öffentlichkeit bald selbst in dem Prototyp Platz nehmen. „Wir machen derzeit noch das Fein-Tuning und werden den Prototyp dann am Hochschulinformationstag der THI am 25. März sowie beim ON Campus-Festival am 16. Juni und auf der IAA im Herbst einsetzen“, sagt Professor Riener.

Er betont abschließend, dass das Projekt verknüpft ist mit dem Modellprojekt „Urban Air Mobility“ in der Region Ingolstadt und den Startup-Programmen des brigkAir. Das Projekt „Prototyp-Bau“ ist zudem angedockt an das Verbundprojekt „AMI-Airshuttle“. Dabei werden Lösungen für den Betrieb von sogenannten Vertiports, also einer neuartigen Infrastruktur, an Flughäfen entwickelt. Die Integration von elektrifizierten Flugtaxis inklusive Betriebskonzepten wird dabei erprobt.

Externer Link: www.thi.de

Batterien: Wichtiges Rätsel der Passivierungsschicht gelöst

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 07.03.2023

Forschende des KIT charakterisieren mithilfe von Simulationen die chemischen Vorgänge an den Elektroden von Lithium-Ionen-Batterien

Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken. Sie funktionieren nur mit einer Passivierungsschicht, die sich beim ersten Ladevorgang an den Elektroden bildet. Wie Forschende am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun anhand von Simulationen festgestellt haben, entsteht diese Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase nicht direkt an der Elektrode, sondern wächst aus dem Lösungsmittel. Über ihre Studie berichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Zeitschrift Advanced Energy Materials. Ihre Erkenntnisse ermöglichen, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von zukünftigen Batterien zu optimieren.

Vom Smartphone bis zum Elektroauto – fast überall, wo mobile Stromversorgung gefragt ist, werden Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt. Mit entscheidend für den zuverlässigen Betrieb dieser und anderer Flüssigelektrolyt-Batterien ist die Feststoff-Elektrolyt-Grenzphase (solid electrolyte interphase – SEI). Diese Passivierungsschicht bildet sich beim ersten Anlegen einer Spannung. Der Elektrolyt wird in der unmittelbaren Nähe der Oberfläche zersetzt. Bisher war unklar, wie die Bestandteile des Elektrolyten eine bis zu 100 Nanometer dicke und stabile Schicht an der Oberfläche der Elektroden bilden können, wenn die Zersetzungsreaktion nur innerhalb weniger Nanometer von der Oberfläche möglich ist.

Die Passivierungsschicht an der Anodenoberfläche bestimmt die elektrochemische Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer einer Lithium-Ionen-Batterie wesentlich mit, weil sie in jedem Lade- und Entladezyklus stark beansprucht wird. Bricht die SEI dabei auf, wird der Elektrolyt weiter zersetzt und die Kapazität der Batterie nimmt stetig ab – ein Prozess, der die Lebensdauer der Batterie bestimmt. Mit dem entsprechenden Wissen über Wachstum und Zusammensetzung der SEI lassen sich Batterieeigenschaften gezielt anpassen. Bisher gelang es allerdings weder mit experimentellen noch mit computergestützten Ansätzen, diese auf ganz unterschiedlichen Größen und Längenskalen ablaufenden komplexen Wachstumsprozesse zu entschlüsseln.

Studie innerhalb der EU-Initiative BATTERY 2030+

Forschende am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT haben es nun geschafft, die Bildung der SEI mit einem multiskaligen Ansatz zu charakterisieren. „Damit haben wir eines der großen Rätsel der wichtigsten Schnittstelle in Flüssigelektrolyt-Batterien gelöst – auch in Lithium-Ionen-Batterien, wie wir alle sie täglich nutzen“, sagt Professor Wolfgang Wenzel, Leiter der Forschungsgruppe „Multiscale Materials Modelling and Virtual Design“ am INT. Über ihre Erkenntnisse berichten die Karlsruher Forschenden in der Zeitschrift Advanced Energy Materials. Die Forschungsgruppe ist an der großangelegten europäischen Forschungsinitiative BATTERY 2030+ beteiligt, die auf sichere, bezahlbare, langlebige und nachhaltige Hochleistungsbatterien für die Zukunft zielt.

Mehr als 50 000 Simulationen für verschiedene Reaktionsbedingungen

Um das Wachstum und die Zusammensetzung der Passivierungsschicht an der Anode von Flüssigelektrolyt-Batterien zu untersuchen, erzeugten die Forschenden am INT einen Satz von mehr als 50 000 Simulationen, die verschiedene Reaktionsbedingungen repräsentieren. Sie stellten fest, dass die Bildung der organischen SEI auf einem lösungsvermittelten Weg erfolgt: Zunächst schließen sich SEI-Vorläufer, die direkt an der Oberfläche gebildet werden, weit entfernt von der Elektrodenoberfläche über Keimbildung zusammen. Anschließend wachsen die Keime so schnell, dass sich eine poröse Schicht bildet, welche schließlich die Elektrodenoberfläche bedeckt. Diese Erkenntnis erklärt die paradox anmutende Situation, dass die SEI sich nur in der Nähe der Oberfläche bilden kann, wo Elektronen verfügbar sind, aber ohne den beobachteten Mechanismus sofort aufhören würde zu wachsen, wenn dieser kleine Bereich nahe der Elektrode aufgefüllt ist. „Wir haben diejenigen Reaktionsparameter identifiziert, die die Dicke der Passivierungsschicht bestimmen“, erklärt Dr. Saibal Jana, Postdoc am INT und einer der Autoren der Studie. „Dies wird es künftig ermöglichen, Elektrolyte und geeignete Zusatzstoffe zu entwickeln, um die Eigenschaften der SEI zu steuern und damit die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Batterien zu verbessern.“ (or)

Originalpublikation:
Meysam Esmaeilpour, Saibal Jana, Hongjiao Li, Mohammad Soleymanibrojeni, and Wolfgang Wenzel: A Solution-Mediated Pathway for the Growth of the Solid Electrolyte Interphase in Lithium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials, 2023. DOI: 10.1002/aenm.202203966

Externer Link: www.kit.edu

Taktile Tattoos sollen virtuelle Welten greifbar machen

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 02.03.2023

Was bis vor kurzem noch wie Science-Fiction wirkte, kann schon bald Wirklichkeit werden: virtuelle Welten im wahrsten Sinne des Wortes „begreifbar“ zu machen. Jürgen Steimle, Informatik-Professor der Universität des Saarlandes, möchte dies mittels hauchdünner elektronischer Folien erreichen, die wie Abzieh-Tattoos auf den Körper aufgetragen werden können.

Um die Technologie, die er mit seiner Forschungsgruppe im Rahmen des EU-geförderten Projektes „InteractiveSkin“ entwickelt hat, näher zur Marktreife zu bringen, wird Steimle nun erneut durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) mit einem so genannten „Proof-of-Concept-Grant“ unterstützt.

Virtual- und Augmented-Reality (VR und AR), oftmals als „Extended Reality (XR)“ zusammengefasst, bewegen sich immer mehr hinaus aus dem Nischen-Markt hin zum Massenprodukt – man denke nur an das Metaverse, Gaming, oder Anwendungen in der Industrie und innovativen Bereichen der Telemedizin. Die meisten Anwendungen der erweiterten Realität haben eines gemeinsam: Sie sprechen nur oder hauptsächlich den Sehsinn an. „Der Tastsinn bleibt in der Regel außen vor, obwohl er ein ganz entscheidender Faktor dabei ist, wie wir unsere Welt wahrnehmen“, erklärt der Informatik-Professor Jürgen Steimle, der die Forschungsgruppe zu Mensch-Computer-Interaktion an der Universität des Saarlandes am Saarland Informatics Campus leitet. Den Tastsinn zentral in virtuelle Welten zu integrieren, würde erheblich dazu beitragen, dass Nutzer diese immersiv erleben, so der Professor.

Bedingt geht das nämlich schon heute: Eine verbreitete Möglichkeit sind in den Händen gehaltene Controller, die durch bewegliche Teile wie Motoren haptische Eindrücke erzeugen, oder auch Handschuhe, in die ebenfalls vibrierende und anderweitig bewegliche Elemente eingebaut sind. Hier bessere Ansätze zu entwickeln, hat sich Professor Jürgen Steimle zur Aufgabe gemacht.

Herausgekommen ist dabei unter anderem das Projekt „Tacttoo“: Der Name ist ein Kofferwort aus „taktil“, also den Tastsinn betreffend, und „Tattoo“ und beschreibt somit prägnant, was in dem Projekt entwickelt wurde: Eine hauchdünne, nur 35 Mikrometer (= tausendstel Millimeter) dicke elektronische Folie, die wie ein Abzieh-Tattoo auf die Haut aufgetragen werden kann und dort nur durch elektrische Reize, ganz ohne bewegliche Teile, den Tastsinn stimulieren kann. Weil die Folie so dünn ist, können Gegenstände noch wie zuvor wahrgenommen und ertastet werden. Das eröffnet neue Anwendungsmöglichkeiten: Wie auch mit anderen Methoden können durch Tacttoo völlig neue haptische Erfahrungen für rein digitale Objekte erzeugt werden (wenngleich auch wesentlich realistischer dank höherer Auflösung), zusätzlich können aber auch reale Objekte um andere Sinneseindrücke erweitert werden.

So könnte die Technik beispielweise beim Produktdesign zum Einsatz kommen: Mit Hilfe von Augmented Reality und eines physischen Prototyps könnte die Haptik verschiedener Materialien ausprobiert werden, bevor es in die Produktion geht. Oder im Falle eines elektrischen Gerätes könnten verschiedene Positionierungen von Knöpfen und anderen physischen Bedienelementen erprobt werden, indem man diese als künstliche haptische Sinneseindrücke simuliert. Auch in der Ausbildung, beispielsweise von Chirurgen, wäre die Technik denkbar. Denn bereits heute werden hier Virtual-Reality-Umgebungen eingesetzt. Diese könnten mithilfe von Steimles Methode um realistisches haptisches Feedback erweitert werden, ohne die nötige Feinmotorik der auszubildenden Mediziner einzuschränken.

In dem nun vom Europäischen Forschungsrat geförderten Projekt namens „Feel-XR: Feel-through Haptic Feedback for Augmented and Virtual Reality“ geht es Steimle und seinem Team um den Technologie-Transfer, also exakt darum, neue Anwendungsfälle zu identifizieren und bestehende zu verfeinern: „Durch Marktanalysen, Entwicklung von Anwendungen sowie die Zusammenarbeit mit Partnern aus der Wirtschaft wollen wir das kommerzielle Potenzial der Technologie explorieren, um Tacttoo in die Praxis zu bringen“, sagt der Professor. Die Europäische Union hat speziell für diesen Zweck die sogenannten „Proof-of-Concept-Grants“ vorgesehen, die nur an Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler vergeben werden, die bereits eine höher dotierte EU-Förderung erhalten haben und dabei Grundlagentechnologien mit hohem Anwendungspotenzial entwickelt haben. Das Fördervolumen eines solchen Grants beträgt 150.000 Euro über 18 Monate.

Externer Link: www.uni-saarland.de