Presseaussendung der TU Wien vom 04.12.2012

Wie blickt man ins Innere eines Fliegenauges? Saideh Saghafi entwickelt Laseroptik, die hochauflösende dreidimensionale Mikroskopie ermöglicht.

Feine Äderchen, dünn verästelte Nervenbahnen – mit dem Ultramikroskop, das in der Abteilung für Bioelektronik des Instituts für Festkörperelektronik der TU Wien entwickelt wurde, lassen sich winzige Details biologischer Gewebe dreidimensional darstellen. Laserstrahlen ermöglichen einen Blick in das Innere von Fliegen, Mäusen oder auch medizinischen Gewebeproben. Die Lasertechnik und Optik des Geräts wurde von Saideh Saghafi entwickelt. Ihr gelang es, aus einem Laserstrahl mit optischen Tricks eine extrem dünne zweidimensionale Laser-Fläche zu machen, mit der man die Proben Schicht für Schicht durchleuchten kann. Dafür erhielt sie nun einen wichtigen Optik-Preis.

Gewebe wird transparent

Normalerweise sind biologische Gewebe undurchsichtig, weil das Licht an den Grenzschichten zwischen unterschiedlichen Materialien gestreut wird. Aus dem selben Grund können wir nicht durch dichten Nebel hindurchsehen: Jedes einzelne schwebende Nebeltröpfchen streut das Licht – und so erkennt man nur ein diffuses Weiß.

Damit die innere Struktur von biologischem Gewebe abgebildet werden kann, muss man es zunächst für Laserstrahlen durchsichtig machen. „Die Probe wird zunächst geklärt: Das enthaltene Wasser wird durch eine Flüssigkeit mit anderen optischen Eigenschaften ersetzt, dadurch können die Laserstrahlen tief in die Probe eindringen“, erklärt Saideh Saghafi. Gemeinsam mit ihren Kolleginnen und Kollegen in der Abteilung von Prof. Hans Ulrich Dodt an der TU Wien erzeugt sie so Bilder von bisher noch nie erreichter Qualität, die für die medizinische Forschung wichtige Informationen liefern. Auch für die Untersuchung und 3D Darstellung von menschlichen Tumoren aus der Pathologie ist das neuartige Ultra-Mikroskop bestens geeignet.

Ultradünne Licht-Flächen

Aus einem gewöhnlichen, runden Laserstrahl wird durch optische Tricks zuerst ein elliptischer Strahl, und daraus dann eine dünne Licht-Schicht gemacht. „Nur etwa 1.5 Mikrometer dick ist die Fläche aus Laserlicht, die wir mit unseren Linsen herstellen“, sagt Saghafi. Vom Laserlicht angeregt beginnt eine extrem dünne Schicht der Probe zu fluoreszieren – und dieses Leuchten kann mit einer Kamera aufgenommen werden. Die Grundidee der Ultramikroskopie wird an der TU Wien schon seit Jahren verwendet, doch Saghafis dünne Laser-Schichten haben die Präzision des Mikroskopes nun noch einmal entscheidend verbessert.

Schicht für Schicht durchleuchtet man die Probe mit Laserlicht und nimmt jedes Mal ein Bild auf. Daraus wird am Computer ein vollständiges dreidimensionales Modell der Probe aufgebaut. So entstehen detaillierte Bilder von winzigen Fruchtfliegen und vom komplexen neuronalen Netzwerk in Mäusegehirnen. „Ohne das Durchleuchten der Probe mit der Laser-Fläche müsste man die Probe in dünne Schichten schneiden und dann einzeln mikroskopieren. Dabei könnte man natürlich niemals die Genauigkeit erreichen, die wir mit unserem Ultramikroskop erzielen“, erklärt Saideh Saghafi.
 
Preis für herausragende wissenschaftliche Leistung

Edmund Optics, ein großer Hersteller optischer Elemente, prämierte kürzlich die besten wissenschaftlichen Arbeiten auf dem Gebiet der Optik. Aus etwa 750 Bewerbungen wurden die drei innovativsten und technisch wertvollsten Einreichungen ausgewählt. Unter den prämierten Arbeiten des Jahres 2012 war auch Saideh Saghafi mit ihrer Licht-Flächen-Technologie. Das Preisgeld wird in Form von wertvollen optischen Elementen ausbezahlt, mit dem die Ultramikroskopie an der TU Wien noch weiter verbessert werden soll. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 28.11.2012

Die Eigenschaften von Grundbausteinen der Elektronik lassen sich mit kalten Atomen simulieren, die durch Strukturen aus Laserlicht fliessen. Dies ist das Ergebnis von Arbeiten, in denen Wissenschaftler der ETH Zürich nun begonnen haben, mit einer neuen Generation von Quantenexperimenten das Verhalten von Stromflüssen in einem Regime zu erforschen, über welches Physiker bisher zum Teil kaum Vorhersagen machen können.

Moderne elektronische Komponenten erreichen heute solch kleine Abmessungen, dass Quanteneffekte ins Spiel kommen. Für die weitere Entwicklung und insbesondere Miniaturisierung dieser Bausteine ist es deshalb von immer dringender Bedeutung, Kollektive aus vielen Quantenteilchen – so wie es Elektronen welche sind – zu verstehen. Mit aktuellen theoretischen und rechnerischen Methoden ist es jedoch oft nicht möglich, das Verhalten solcher „Vielteilchensysteme“ vorherzusagen. Alternative Methoden zu finden, ist deshalb der Gegenstand intensiver Forschung. Die Gruppe von Tilman Esslinger vom Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich hat nun eine experimentelle Plattform entwickelt, mit welcher der Fluss von Elektronen durch kleinste Kanäle simuliert werden kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind in zwei Artikeln in den Fachzeitschriften Science und Nature erschienen.

Simulieren statt rechnen

Angesichts der fortschreitenden Miniaturisierung von elektronischen Komponenten wird es zunehmend wichtig, beim Design von neuen Elementen Quanteneffekte mit in Betracht zu ziehen. Dass die Gesetze der Quantenmechanik zusehends bemerkbar werden, eröffnet neue technologische Möglichkeiten, aber auch neue Hindernisse. Der zusätzliche Spielraum bedeutet gleichzeitig, dass es ungleich schwieriger wird, theoretische Vorhersagen über das Verhalten der Elektronen zu machen. Mit jedem zusätzlichen Quantenteilchen verdoppelt sich im Wesentlichen der rechnerische Aufwand. Auch die leistungsstärksten Computer stossen damit bereits bei ein paar Duzend Teilchen an ihre Grenzen.

Eine Alternative zur theoretischen oder rechnerischen Behandlung eines Quanten-Vielteilchen-Problems ist es, ein Quantensystem zu verwenden, über welches man experimentell gute Kontrolle hat, und damit das Quantensystem, an dem man eigentlich interessiert ist, nachzubilden. Dies ist vergleichbar mit frühen astronomischen Instrumenten, die es ermöglicht haben, mit mechanischen Geräten die Positionen von Himmelskörpern vorherzusagen. Quantenmechanische Simulatoren wurden erstmals 1981 vom amerikanischen Physiker Richard Feynman vorgeschlagen. Vor allem in den vergangenen zehn Jahren wurden bedeutende experimentelle Fortschritte erzielt, die es erlauben, einzelne Quantenteilchen zu isolieren, zu manipulieren und zu messen. Damit ist es heute möglich, erste „Quantengeräte“ aufzubauen.

Die eigenartigen Bewegungsmuster von Quantenteilchen

Die Zürcher Forscher verwenden nun kalte Lithiumatome, welche die Rolle der Elektronen übernehmen. Die Atome werden kontrolliert durch Kanäle geschleust, die durch Laserlicht gebildet werden. „Mit unserer Arbeit erweitern wir das Konzept der Quantensimulation in Richtung Transportphänomene“, erklärt Jean-Philippe Brantut, einer der leitenden Mitarbeiter in diesem Projekt. In ihrem Aufbau können die Physiker eine ganze Reihe von Parametern kontrollieren, von der Geometrie der Kanäle bis hin zu den Wechselwirkungen zwischen den Atomen. Zudem ist das System aus Atomen und Licht absolut fehlerfrei und ermöglicht somit einen direkten Vergleich zwischen Experimenten und theoretischen Modellen – dies ist ein entscheidender Vorteil gegenüber einem Aufbau mit Elektronen und Drähten, wo sich Störstellen nie ganz vermeiden lassen.

Aber auch in solch idealen Systemen können die fliessenden Teilchen auf Widerstand stossen. In einer ersten Arbeit, die in der Fachzeitschrift Science erschienen ist, haben Esslinger und sein Team theoretische Vorhersagen bestätigt, dass ein elektrischer Widerstand allein dadurch entstehen kann, dass die Elektronen durch einen dünnen Leiter fliessen. Dies gilt auch, wenn dieser Leiter absolut fehlerfrei ist. Ein bedeutend seltsameres Verhalten kam jedoch zutage, als die Forscher zu tieferen Temperaturen gingen und die Teilchen miteinander wechselwirken liessen – dies publizierten sie in der neusten Ausgabe von Nature. In diesem Fall begannen die Teilchen ohne jeden Widerstand zu fliessen, selbst wenn ihnen Hindernisse im Weg standen. „Es ist, als ob Sie in der Limmat stehen und das Wasser, welches um Sie herum fliesst, in keinster Weise spüren“, sagt Tilman Esslinger. Das Phänomen des absolut widerstandslosen Flusses ist unter dem Namen Suprafluidität bekannt, und es ist von grossem Interesse hinsichtlich Elektronikbausteine der Zukunft. Bis zu einer neuen Generation von elektronischen Geräten ist noch ein weiter Weg, aber Arbeiten wie die der ETH-Forscher leisten wichtige Beiträge zu einem fundamentalen Verständnis der physikalischen Eigenschaften, auf welche diese Grundelemente aufbauen, und ermöglichen, Theorien und neue Ansätze zu testen.

Externer Link: www.ethz.ch