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Die Spitzen-Leistung der Elektronen

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Presseaussendung der TU Wien vom 15.11.2016

Scharfe Metallspitzen verwendet man, um Elektronen gezielt in eine Richtung zu senden. Ein Quanten-Effekt liefert nun eine neue Methode, die Elektronen-Emission extrem genau zu kontrollieren.

Wenn man Elektronen präzise kontrollieren will, dann lässt man sie aus feinen Metallspitzen austreten – so macht man das etwa in einem Elektronenmikroskop. Seit Kurzem werden solche Metallspitzen auch als hochpräzise Elektronenquellen zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet. Ein Team der TU Wien entwickelte nun gemeinsam mit einer Forschungsgruppe aus Deutschland (FAU Erlangen-Nürnberg) eine Methode, diese Elektronenemission mit Hilfe zweier Laserpulse viel genauer zu steuern als bisher. Damit wird es jetzt möglich, den Fluss der Elektronen auf extrem kurzen Zeitskalen ein- und auszuschalten.

Nur die Spitze zählt

„Die Grundidee ist ähnlich wie beim Blitzableiter“, erklärt Prof. Christoph Lemell vom Institut für Theoretische Physik der TU Wien. „Das elektrische Feld rund um eine Nadel ist immer genau an der Spitze am größten. Daher schlägt der Blitz in die Spitze des Blitzableiters ein, und aus demselben Grund verlassen Elektronen die Nadel genau an der Spitze.“

Mit modernen Methoden der Nanotechnologie kann man heute extrem feine Nadeln herstellen, ihre Spitze hat eine Ausdehnung von wenigen Nanometern. Man weiß also sehr genau, an welcher Stelle die Elektronen das Metall verlassen. Wichtig ist es zusätzlich nun aber auch, eine genaue Kontrolle darüber zu haben, ob und zu welchem Zeitpunkt die einzelnen Elektronen aus der Metallspitze austreten.

Genau das wird nun mit einer neuen Technik möglich: „Man beschießt die Metallspitze mit zwei verschiedenen Laserpulsen“, erklärt Florian Libisch (TU Wien). Die Farben dieser Laser wählt man so, dass die Lichtteilchen des einen Lasers genau doppelt so viel Energie haben wie die Lichtteilchen des anderen Lasers. Wichtig ist außerdem, dass die Lichtwellen der beiden Laser perfekt im gleichen Takt schwingen.

Das Team von der TU Wien konnte aufgrund von Computersimulationen vorhersagen, dass sich die zeitliche Verzögerung eines der beiden Pulse als „Schalter“ für die Elektronenemission verwenden lässt. Diese Vorhersage wurde nun von der Forschungsgruppe von Prof. Peter Hommelhoff von der FAU Erlangen-Nürnberg experimentell bestätigt. Aufgrund dieser Ergebnisse konnte auch der detaillierte Prozessablauf erklärt werden.

Elektronen, die Lichtteilchen absorbieren

Schießt man Laserpulse auf die Metallspitze kann das elektrische Feld des Lasers Elektronen aus dem Metall reißen – das war bereits bekannt. Neu ist allerdings, dass es durch die Kombination von zwei verschiedenen Lasern eine Möglichkeit gibt, die Emission der Elektronen auf wenige Femtosekunden genau zu kontrollieren.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie ein Elektron ausreichend viel Energie bekommen kann, um die Nadelspitze zu verlassen: Beispielsweise kann das Elektron entweder ein Lichtteilchen des Lasers mit höherer Energie und zwei Lichtteilchen mit niedrigerer Energie absorbieren oder aber vier Lichtteilchen des niederenergetischen Laserpulses. Beides führt zum selben Ergebnis. „So wie ein Teilchen im Doppelspaltexperiment, das sich auf zwei Pfaden gleichzeitig bewegt, kann ein Elektron auch hier zwei verschiedene Wege gleichzeitig beschreiten“, erklärt Prof. Joachim Burgdörfer (TU Wien). „Die Natur legt sich nicht fest, welchen Weg das Elektron nimmt – beide Möglichkeiten finden gleichzeitig statt und überlagern einander.“

Durch präzise Kontrolle der beiden Laser kann man nun einstellen, ob sich diese beiden Quanten-Möglichkeiten gegenseitig verstärken – dann kommt es zu einer erhöhten Emission von Elektronen – oder ob sie einander stattdessen auslöschen sollen, sodass praktisch überhaupt keine Elektronen ausgesandt werden. So kann man einfach und effektiv die Elektronen-Emission kontrollieren.

Das ist nicht nur eine ganz neue Methode, mit der man nun wichtige Experimente mit energiereichen Elektronen durchführen kann, die neue Technik soll in Zukunft auch eine sehr präzise Steuerung von Röntgenstrahlen ermöglichen: „Es wird bereits an innovativen Röntgen-Quellen gearbeitet, die Arrays aus feinen Nano-Spitzen als Elektronenquelle verwenden“, erklärt Lemell. „Mit unserer neuen Methode könnte man diese Nano-Spitzen genau richtig ansteuern, um kohärente Röntgenstrahlung zu erzeugen.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
Phys. Rev. Lett. 117, 217601 DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.217601

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Physikern genügt eine billionstel Sekunde zur Kontrolle blitzschneller Quantenbits

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 14.11.2016

Quantencomputer, die bestimmte Probleme im Vergleich zu heutigen Rechnern um ein Vielfaches effizienter lösen können, stecken technisch noch in den Kinderschuhen. Diejenigen Abläufe in der Quantenwelt präzise zu steuern, die Informationen speicher- und lesbar machen, ist außerordentlich herausfordernd. Physikern der Universität des Saarlandes um Professor Christoph Becher ist es nun gelungen, ein Quantenbit, das als Grundlage für die Informationsspeicherung dient, blitzschnell und vollständig zu kontrollieren. Da solche Quantenbits sehr instabil und kurzlebig sind, mussten sie dafür einen Laserpuls nutzen, der nur eine billionstel Sekunde lang ist. Ihre Methode haben sie in der heutigen Ausgabe des renommierten Fachmagazins Nature Communications beschrieben.

Quantencomputer versprechen Lösungen für Rechenprobleme, die heutige, konventionelle Großrechner noch in die Knie zwingen oder ihnen zumindest extrem lange Rechenzeiten abverlangen. Ein Quantencomputer kann bestimmte mathematische Probleme erheblich effizienter lösen als heutige Rechner und so z.B. für Simulationen im Bereich der Wirkstoffentwicklung oder Materialforschung von unschätzbarem Wert sein.

Dahinter steckt die Informationsverarbeitung mit Qubits. Nehmen die Bits in heutigen Rechnern die Zustände 0 oder 1 ein, können Quantenbits beide Zustände gleichzeitig, einen so genannten Überlagerungszustand, einnehmen. Auf diese Weise können Rechenoperationen in Quantencomputern um ein Vielfaches schneller ablaufen – theoretisch. Denn noch ist die Kontrolle solcher Quantenbits extrem schwierig. Das liegt unter anderem an der sehr kurzen Zeitspanne, in denen ein Quantenbit zwei Zustände gleichzeitig innehat. Diese so genannte Kohärenzzeit beträgt bei den Quantenbits, die Saarbrücker Physiker erforschen, gerade einmal 45 Nanosekunden, das sind 45 milliardstel Sekunden. Dennoch ist es den Saarbrücker Forschern nun gelungen, ein Quantenbit auch in dieser extrem kurzen Zeitspanne vollständig zu kontrollieren.

Dazu nutzte Doktorand Jonas Becker aus Christoph Bechers Team spezielle Laser, mit denen er gezielt beliebige Überlagerungszustände  in einem sogenannten Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum (SiV), das als Quantenbit fungiert, erzeugen konnte. „Aufgrund dessen spezieller elektronischer Struktur konnten wir ultrakurze Laserpulse von nur knapp einer Pikosekunde, das ist eine billionstel Sekunde, zur Kontrolle zu nutzen. Dies erlaubt Quanteninformationsverarbeitung mit extrem hoher Geschwindigkeit und ermöglicht es, tausende von Rechenoperationen innerhalb der Kohärenzzeit des SiV durchzuführen“, erklärt Becker.

Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum ist ein gewollt eingebauter „Fehler“ in der atomaren Gitterstruktur eines ansonsten hochreinen künstlichen Diamanten, der aus reinem Kohlenstoff besteht. Statt des gewohnten Kohlenstoffatoms befindet sich an einer Stelle des Gitters ein Silizium-Atom. Im Gegensatz zum Diamant selbst wechselwirken solche Defekte oftmals sehr stark mit Licht. Daher ist es möglich, den internen Quantenzustand dieser Zentren mithilfe von Lasern gezielt zu verändern und auf diese Weise Information zu speichern. „Das Silizium-Fehlstellen-Farbzentrum in Diamant ist ein sehr vielversprechender Kandidat für Anwendungen der Quantentechnologien“ erklärt Jonas Becker. „Wir können viele solcher Zentren auf kleinstem Raum durch Beschuss eines hochreinen Diamanten mit einem Teilchenbeschleuniger erzeugen. Die sehr guten optischen Eigenschaften des Zentrums erlauben zudem eine effiziente optische Vernetzung der Defekte und die Kontrolle einzelner SiVs in Systemen mit mehreren Quantenbits, da wir die Laser mit hoher räumlicher Auflösung auf einzelne Zentren fokussieren können“, so Becker weiter.

In zukünftigen Arbeiten können die hier entwickelten Kontrolltechniken genutzt werden, um konkrete Bausteine für Quantenkommunikations-Anwendungen zu realisieren, wie etwa Systeme zum Speichern von Quanteninformation sowie Schnittstellen zwischen Quantenbits und Licht.

Publikation:
„Ultrafast all-optical coherent control of single silicon vacancy colour centres
in diamond“, 14. November 2016, Fachzeitschrift Nature Communications, DOI:10.1038/ncomms13512.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Chemiker erzeugen durch Nachahmung der Natur Organellen-Cluster

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 02.11.2016

Forschern der Universität Basel ist es gelungen, sphärische Kompartimente in Cluster zu gliedern. Dabei diente die Bildung komplexer Strukturen durch Organelle als Vorbild. Als Bindeglied zwischen den synthetischen Kompartimenten dienten DNA-Brücken. Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Verwirklichung sogenannter molekularer Fabriken. Die Zeitschrift Nano Letters hat die Ergebnisse der Forscher veröffentlicht.

Innerhalb der Zelle existieren spezielle Kompartimente, die als Organelle bezeichnet werden, beispielsweise der Zellkern, die Mitochondrien, Peroxisomen und Vakuolen. Diese sind jeweils für bestimmte Zellfunktionen zuständig. Nahezu alle ausgeklügelten biologischen Zellfunktionen werden mittels Selbstorganisation realisiert. Dabei ordnen sich Moleküle ohne Anleitung von aussen auf eine bestimmte Art und Weise an, die auf ihren jeweiligen Konformationen und Eigenschaften basiert.

Die Nutzung der Selbstorganisation von Nano-Objekten zu komplexen Strukturen ist eine wesentliche Strategie, um neue Materialien mit verbesserten Eigenschaften oder Funktionen in Bereichen wie Chemie, Elektronik und Technik herzustellen. So wurde diese Strategie beispielsweise bereits eingesetzt, um Geflechte aus anorganischen Feststoff-Nanopartikeln zu erzeugen. Bisher konnten diese Geflechte jedoch nicht ausgereifte Strukturen imitieren, die innerhalb der Zellen biologische Funktionen haben und somit für einen Einsatz in Medizin oder Biologie in Betracht kommen.

DNA-Brücken verleihen Stabilität

Die gemeinsame Arbeit der Forschergruppen unter der Leitung von Professorin Cornelia Palivan und Professor Wolfgang Meier bietet nun einen neuen Ansatz für die Selbstorganisation von künstlichen Organellen zu Clustern, der die Verbindung zwischen ihren natürlichen Gegenstücken imitiert. Durch die Nutzung einzelner DNA-Stränge zur Verbindung der sphärischen Kompartimente gelang es den Forschern, Cluster gemäss einer spezifischen Architektur und mit kontrollierten Eigenschaften zu erzeugen. «Wir haben gespannt beobachtet, dass die einzelnen DNA-Stränge an der Oberfläche der sphärischen Kompartimente sich zusammengeschlossen und eine Brücke mit den DNA-Strängen des nächsten Kompartiments gebildet haben», so Palivan. Bei dieser DNA-Brücke handelt es sich um eine äusserst stabile Verbindung.

Diese von der Natur inspirierte Strategie geht über die eigentlichen Ansätze der Selbstorganisation hinaus, da sie zudem die Integration von verschiedenen Anforderungen ermöglicht, beispielsweise die Feinabstimmung des Abstands zwischen den einzelnen Kompartimenten oder verschiedene räumliche Strukturen «on demand». Als Kompartimente nutzten die Forscher Polymersomen mit einer synthetischen Membran, die im Gegensatz zu Liposomen den grossen Vorteil bietet, dass sie äusserst stabil ist und die Verschmelzung einzelner Kompartimente innerhalb der Zelle kontrolliert.

Ein weiterer einzigartiger Vorteil dieser Strategie zur Bildung von Nanoclustern ist die Tatsache, dass die Kompartimente mit Reaktionspartnern wie Enzymen, Proteinen oder Katalysatoren bestückt werden können. Dies liefert die Grundlage für die künftige Entwicklung künstlicher Organelle, die als molekulare Fabriken dienen. Diese Forschungsarbeit wurde im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunkts (NFS) Molecular Systems Engineering durchgeführt.

Originalartikel:
Juan Liu, Viktoriia Postupalenko, Samuel Lörcher, Dalin Wu, Mohamed Chami, Wolfgang Meier, Cornelia G. Palivan
DNA-mediated self-organization of polymeric nanocompartments leads to interconnected artificial organelles
Nano Letters (2016), doi: 10.1021/nanolett.6b03430

Externer Link: www.unibas.ch

technologiewerte.de – MOOCblick November 2016

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Using Python for Research
Jukka-Pekka „JP“ Onnela (Harvard University)
Start: 29.11.2016 / Arbeitsaufwand: 16-32 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Stabile biologische Beschichtung für Implantate

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.11.2016

Die extrazelluläre Matrix (ECM) regelt alle wichtigen Funktionen von Zellen und ist für Wissenschaftler ein interessantes Biomaterial. Fraunhofer-Forscher haben eine ECM entwickelt, die künstliche reaktive Gruppen enthält und auch außerhalb des Körpers das natürliche Verhalten der Zellen fördert. Sie kann deshalb als stabile Beschichtung auf Implantate aufgebracht oder für Zellkulturgefäße und Wundauflagen verwendet werden.

Biologen, Chemiker und Mediziner müssen wissen, wie biologische Reaktionen im Innern des menschlichen Körpers ablaufen. Zum Beispiel um Implantate einzusetzen, neue Wirkstoffe zu entwickeln oder krankes Gewebe zu ersetzen. Eine wichtige Rolle spielt bei den Untersuchungen die extrazelluläre Matrix (ECM). Sie stellt im menschlichen Gewebe die natürliche Umgebung der Zellen dar und erfüllt wichtige Funktionen. Durch ihre gewebetypische Zusammensetzung ist sie das ideale Material für Anwendungen in der Medizintechnik. »Es ist jedoch sehr kompliziert, die Matrix so zu modifizieren, dass sie für unterschiedliche Aufgabenstellungen angepasst werden kann, sich aber trotzdem wie in natürlicher Umgebung verhält«, sagt Dr. Monika Bach aus der Abteilung Grenzflächentechnologie und Materialwissenschaft des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB.

Biologische Beschichtung für die Medizintechnik

Chemiker und Biologen des Stuttgarter Forschungsinstituts haben gemeinsam eine funktionale ECM entwickelt, die auch außerhalb des Körpers das natürliche Verhalten der Zellen fördert und flexibel an biologische oder materialtechnische Aufgabenstellungen angepasst werden kann. »Im Labor haben wir gezeigt: Das Biomaterial erfüllt trotz der eingebrachten künstlichen reaktiven Gruppen seine Funktionen und unterstützt das natürliche Verhalten der Zellen, die mit ihr in Kontakt stehen«, schildert Prof. Dr. Petra Kluger, Leiterin der Abteilung Zell- und Tissue Engineering, den Forschungsstand.

Derzeit suchen die IGB-Forscherinnen und -Forscher Kooperationspartner, um mit Hilfe der patentierten Technologie konkrete Produkte zu entwickeln: Zum Beispiel um Implantate zu beschichten, damit sie schneller vom Körper angenommen werden. »Grundsätzlich wäre diese Technologie aber auch interessant, um neue Materialien zu entwickeln, die zur Wund- oder Knochenheilung eingesetzt werden könnten«, sagt Bach. Denkbar wäre zudem eine Beschichtung für Zellkulturgefäße im Labor. Sie liefert den jeweiligen Zellen eine ideale Umgebung, sodass diese während der Kultivierung ihr natürliches Wachstumsverhalten zeigen. »Denn Zellen reagieren sehr empfindlich auch auf kleine Veränderungen in ihrer Umgebung«, erklärt Bach.

Chemische Reaktion, die klickt

Um die ECM mit künstlichen chemischen Gruppen auszustatten, nutzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den natürlichen Stoffwechsel der Zellen und lassen sie die chemische Gruppe selbst einbauen. Dazu werden Zellen, die zuvor aus menschlichen Gewebeproben gewonnen wurden, in einer Zellkulturschale mit Zuckermolekülen gefüttert, die im Vergleich zu herkömmlichen Zuckern an einer Stelle eine reaktive Gruppe tragen. Die Zellen nehmen diesen modifizierten Zucker auf und nutzen ihn als Baustein, um andere Moleküle innerhalb der Zelle und in der ECM aufzubauen. »Diese chemische Gruppe kann anschließend in einer selektiven chemischen Reaktion – Click-Reaktion – mit einem passenden Bindungspartner weiter reagieren. Das muss man sich wie bei einem Druckknopf vorstellen: Eine Hälfte, andere Hälfte – Klick!«, schildert Bach den Vorgang. Auf diese Weise kann eine Implantatoberfläche, die die andere Hälfte des Druckknopfs trägt, stabil mit der clickECM beschichtet – und das Einwachsen des Implantats in das umliegende Gewebe deutlich verbessert werden. Der Vorteil des Zusammenklickens: Die selektive chemische Reaktion hat eine hohe Ausbeute, läuft ohne Nebenreaktionen und unter physiologischen Bedingungen ab, ohne in natürliche Prozesse der Zelle einzugreifen.

Externer Link: www.fraunhofer.de