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Leuchtspuren verraten Ordnung im Chaos

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Presseinformation der LMU München vom 19.10.2011

Fundamentale Theorie erstmals experimentell bestätigt

Das sogenannte Ergodentheorem ist ein fundamentales naturwissenschaftliches Prinzip: Es besagt, dass sich in physikalischen Systemen alle Einzelteilchen genauso „chaotisch“ verhalten wie das gesamte Ensemble – vom Verhalten des Einzelnen also auf das Ganze geschlossen werden kann. Obwohl dieses Prinzip weitreichende Konsequenzen hat, war es bisher ein reines Gedankengebäude. Professor Christoph Bräuchle und seinem Team vom Department Chemie der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München gelang es nun gemeinsam mit Professor Jörg Kärger und dessen Arbeitsgruppe (Universität Leipzig) zum ersten Mal, durch die Messung des Diffusionsverhaltens einzelner Moleküle sowie ganzer Molekülensembles im selben System das Ergodentheorem experimentell zu bestätigen. Dazu nutzten die Forscher an der LMU fluoreszierende Moleküle, deren „Leuchtspuren“ den Weg jedes einzelnen Moleküls genau nachzeichneten, während die Leipziger Gruppe das entsprechende Molekülensemble untersuchte. „Nun wird es sehr interessant, Systeme genauer zu untersuchen, die sich nicht entsprechend des Ergodentheorems verhalten und herauszufinden, aus welchen Gründen das nicht der Fall ist“, sagt Bräuchle.

Diffusion ist die durch thermische Energie – das heißt Wärme – ausgelöste zufällige Bewegung von Teilchen, etwa von Atomen und Molekülen. Dieser physikalische Prozess ist essenziell für unzählige Abläufe in der Natur, aber auch für viele technische Verfahren. Bei fast jeder chemischen Reaktion ist Diffusion der entscheidende Mechanismus, damit sich die potenziellen Reaktionspartner überhaupt nahe genug kommen, um miteinander zu reagieren. Das Ergodentheorem ist für die dynamischen Prozesse der Diffusion ein allgemein anerkanntes zentrales Prinzip: Es besagt, dass die häufig wiederholte Messung einer Beobachtungsgröße – wie etwa der pro Zeiteinheit zurückgelegten Wegstrecke – an einem einzelnen Teilchen zum selben Mittelwert führt wie die gleichzeitige Messung dieser Größe an vielen Teilchen – zumindest, wenn sich die Systeme im Gleichgewicht befinden. „Obwohl bereits seit 150 Jahren Diffusionsmessungen durchgeführt werden, konnte das Ergodenprinzip bisher noch nicht experimentell überprüft werden“, erklärt Kärger. Dies lag daran, dass bisher Diffusionsmessungen nur als Ensemblemessungen – das heißt als gleichzeitige Messung vieler Teilchen – durchgeführt werden konnten. Eine wichtige Methode dazu ist die Pulsgradientenmethode der NMR (Kern-Spin-Resonanz), für deren Einsatz die Arbeitsgruppe von Kärger bekannt ist. Der konkrete Diffusionsweg eines einzelnen Teilchens dagegen entzog sich bisher den Beobachtungsmöglichkeiten der Wissenschaftler. „Mit der Entwicklung der Einzelmolekülspektroskopie und -mikroskopie können inzwischen aber auch die Spuren – und damit das Diffusionsverhalten – einzelner Moleküle untersucht werden“, erklärt Bräuchle. Bei den optischen Einzelmolekülmethoden wird das Molekül über seine Fluoreszenz beobachtbar und kann anhand seiner „leuchtenden Spuren“ bis auf wenige Nanometer genau lokalisiert und verfolgt werden.

Eine weitere Schwierigkeit bestand jedoch darin, dass beide Methoden sehr gegensätzliche Bedingungen für erfolgreiche Messungen erfordern. So sind für die NMR-Messungen hohe Konzentrationen und große Diffusionskoeffizienten der Moleküle erforderlich, während die Einzelmolekülspektroskopie extrem geringe Konzentrationen und kleine Diffusionskoeffizienten erfordert. Durch die Verwendung spezieller organischer Farbstoffmoleküle mit guter Fluoreszenz, die als Gastmoleküle in porösen Gläsern mit nanometergroßen Poren diffundieren, konnten die Forscher das Problem lösen und mit beiden Messmethoden unter gleichen Bedingungen sowohl Einzelmolekülmessungen als auch Ensemblemessungen durchführen.

Auf diese Weise gelang den Forschern der Nachweis, dass die durch die verschiedenen Methoden erhaltenen Diffusionskoeffizienten und damit das Diffusionsverhalten übereinstimmt – die erste experimentelle Bestätigung des Ergodentheorems in diesem Bereich. Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler solche Systeme genauer untersuchen, in denen das Ergodentheorem nicht gilt. „Die Diffusion von Nanoteilchen in Zellen scheint solch ein interessanter Fall zu sein“, sagt Bräuchle, „für uns ist es wichtig herauszufinden, aus welchen Gründen das Ergodentheorem hier nicht greift“.

Das Projekt wurde in München im Rahmen des Exzellenzclusters „Nanosystems Initiative Munich“ (NIM) sowie über den Sonderforschungsbereich 749 (Dynamik und Intermediate molekularer Transformationen) und durch das FOR 877 in Leipzig  (From local constraints to macroscopic transport) von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. (göd)

Publikation:
Single-particle and ensemble diffusivities – Test of ergodicity
F. Feil, S. Naumov, J. Michaelis, R. Valiullin, D. Enke, J. Kärger, C. Bräuchle
Angewandte Chemie/International Edition Angewandte Chemie, Online Publication 14.October 2011
DOI: 10.1002/ange.201105388

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Den Elektronen im Molekül zusehen

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 14.10.2011

Erstmals konnte eine Forschungsgruppe unter Leitung der ETH Zürich die Bewegung von Elektronen während einer chemischen Reaktion komplett sichtbar machen. Die Erkenntnisse aus dem Experiment sind grundlegend für die Photochemie und könnten auch dabei helfen, Solarzellen effektiver zu machen.

1999 erhielt Ahmed Zewail für seine Untersuchung von chemischen Reaktionen mit ultrakurzen Laserpulsen den Nobelpreis in Chemie. Zewail konnte die Bewegung von Atomen beobachten und dadurch Übergangszustände auf molekularer Ebene sichtbar machen. Die Bewegung einzelner Elektronen beobachten zu können, schien damals noch Zukunftsmusik zu sein. Dank neuer Lasertechnologie und intensiver Forschungstätigkeit auf dem Gebiet der Attosekundenspektroskopie (1 Attosekunde = 10-18 s) hat sich dieses Forschungsgebiet schnell entwickelt. Prof. Hans Jakob Wörner vom Laboratorium für Physikalische Chemie der ETH Zürich ist es nun in Zusammenarbeit mit Gruppen aus Kanada und Frankreich gelungen, die Bewegung von Elektronen während einer chemischen Reaktion komplett zu verfolgen. Das Experiment wird in der neusten Ausgabe des Fachmagazins Science beschrieben.

Das Forschungsteam bestrahlte Stickstoffdioxid (NO2) mit einem sehr kurzen ultravioletten Laserpuls. Das Molekül nimmt die Energie, welche in diesem Puls enthalten ist, auf und versetzt die Elektronen in Bewegung. Die Elektronen beginnen daraufhin, sich anders zu verteilen, wobei die Elektronenwolke für kurze Zeit in zwei unterschiedlichen Formen vorliegen kann. Dann gerät das Molekül in Schwingung und zerfällt schliesslich in Stickstoffmonoxid und ein Sauerstoffatom.

Konische Überschneidung

Stickstoffdioxid hat Modellcharakter im Bezug auf die Elektronenbewegung. Das Molekül besitzt eine ausgeglichene abgewinkelte Geometrie. Zudem ist klar, dass im NO2-Molekül zwei Zustände der Elektronen dieselbe Energie haben können – man spricht von einer konischen Überschneidung. Die konische Überschneidung ist zentral für die Photochemie und tritt in der Natur häufig bei chemischen Prozessen auf, die durch Licht ausgelöst werden. Die konische Überschneidung funktioniert wie eine Art Kippschalter. Trifft zum Beispiel Licht auf die Netzhaut, geraten auch dort die Elektronen in Bewegung, und die Netzhaut-Moleküle (Retinal) „klappen“ um, was letztlich die Information des Lichts in elektrische Informationen fürs Hirn umwandelt. Das besondere an konischen Überschneidungen ist, dass die Elektronenbewegung sehr effizient in eine Bewegung der Atome übergeht.

Schnappschuss vom Elektron

Hans Jakob Wörner hat schon in einer früheren Publikation gezeigt, wie mit der Attosekundenspektroskopie die Bewegung von Elektronen beobachtet werden könnte. Der erste schwache Ultraviolett-Puls regt Elektronen zur Bewegung an. Ein zweiter starker Infrarot-Laserpuls entfernt ein Elektron aus dem Molekül, beschleunigt es und führt es wieder zurück ins Molekül. Bei diesem Prozess wird ein Attosekundenpuls emittiert, der eine Momentaufnahme der Elektronenverteilung im Molekül enthält. «Man könnte das mit Fotos vergleichen, auf denen zum Beispiel eine Gewehrkugel einen Apfel durchschlägt. Für den Verschluss ist die Kugel zu schnell, also lässt man den Verschluss ganz offen und belichtet mit Blitzen, die schneller sind als die Kugel. So entsteht der Schnappschuss», veranschaulicht Wörner das Prinzip der Attosekundenspektroskopie.

Vom Experiment zur Solarzelle

Wenn das Elektron zum Molekül zurückkehrt, gibt es wieder Energie in Form von Licht ab. Im Experiment haben Wörner und seine Kollegen das Licht der Elektronen gemessen und dadurch detaillierte Informationen über die Elektronenverteilung und deren zeitlicher Entwicklung gewonnen. Diese Informationen offenbaren Details chemischer Reaktionsmechanismen, die bisher so nicht erfasst werden konnten. Das Experiment an NO2 hilft dabei, fundamentale Vorgänge in Molekülen besser zu verstehen und ist eine ideale Ergänzung zu Computersimulationen photochemischer Prozesse. «Unser Experiment ist deshalb so wichtig, weil es theoretische Modelle auf die Probe stellt. Die Erkenntnisse lassen sich unter anderem in der Photochemie anwenden», sagt Wörner. Das immense Interesse an photochemischen Prozessen überrascht nicht, denn diese Forschung soll unter anderem Solarzellen verbessern oder eines Tages künstliche Photosynthese ermöglichen.

Publikation:
H. J. Wörner et al., Conical Intersection Dynamics in NO2 Probed by Homodyne High-Harmonic Spectroscopy. Science, doi: 10.1126/science.1208664

Externer Link: www.ethz.ch

Zu 99,999999999997 Prozent sicher: Informatiker präsentieren Konzept für drahtlose Fahrradbremse

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 13.10.2011

Informatiker an der Universität des Saarlandes haben eine drahtlose Fahrradbremse entwickelt und deren Funktionsfähigkeit an einem sogenannten Cruiser Bike demonstriert. Darüber hinaus bewiesen sie die Zuverlässigkeit des Bremssystems mit mathematischen Methoden, die auch bei Steuersystemen von Flugzeugen oder chemischen Fabriken zum Einsatz kommen.

Das „Cruiser Bike“ ähnelt eher einem Easy-Rider-Motorrad ohne Motorblock als einem herkömmlichen Fahrrad. Doch gerade an der gradlinigen, langgestreckten Fahrradgabel fällt besonders gut auf, was das neu entwickelte Bremssystem so besonders macht: Weder schlängelt sich ein Bremskabel den Lenker hinunter, noch steht ein Bremsgriff für die Vorderbremse vom Lenker ab.

Die drahtlose Fahrradbremse stellt für die Forscher jedoch weitaus mehr als nur eine akademische Spielerei dar. „Drahtlose Netze funktionieren nie hundertprozentig, das ist technologisch bedingt“, erklärt Professor Holger Hermanns, der an der Saar-Uni den Lehrstuhl für Verlässliche Systeme und Software leitet und zusammen mit seiner Gruppe die drahtlose Fahrradbremse entwickelte. Dennoch gehe man zunehmend dazu über, Systeme drahtlos zu realisieren, die, wie eine einfache Fahrradbremse, immer funktionieren müssen. „Konkrete Pläne existieren zum Beispiel für den künftigen Europäischen Zugverkehr“, berichtet Hermanns und führt weiter aus, dass Experimente mit Zügen und Flugzeugen viel zu aufwändig seien und bei Fehlfunktion sogar Menschen gefährden könnten. Stattdessen sollen von den Saar-Informatikern entwickelte mathematische Methoden das Zusammenspiel der Komponenten automatisch überprüfen. „Die drahtlose Fahrradbremse bietet uns die notwendige Spielwiese, um diese Methoden für den Einsatz in weitaus komplexeren Systemen zu optimieren“, so Hermanns.

Daher untersuchte seine Forschergruppe den Brems-Prototypen mit Rechenverfahren, die sonst bei Steuersystemen von Flugzeugen oder chemischen Fabriken zum Einsatz kommen. Sie kamen zu dem Ergebnis, dass die Bremse zu 99,999999999997 Prozent zuverlässig sei. „Das bedeutet, dass drei aus einer Billiarde Bremsversuchen fehlschlagen“, erklärt Hermanns und fügt hinzu: „Das ist nicht perfekt, aber dennoch akzeptabel.“

Um zu bremsen, muss der Fahrradfahrer lediglich den rechten Gummigriff am Lenker fest umgreifen. Je stärker er greift, desto stärker bremst, wie von Geisterhand, die Scheibenbremse im Vorderrad. Möglich macht dies ein Zusammenspiel von mehreren Komponenten. Im schwarzen Gummigriff ist ein Drucksensor integriert, der ab einem bestimmten Druck einen kleinen Sender aktiviert. Dieser sitzt in einem blauen Kunststoffkästchen von der Größe einer Zigarettenschachtel, das ebenfalls an der Lenkstange befestigt ist. Seine Funksignale gehen unter anderem an einen Empfänger am Ende der Radgabel. Dieser wiederum gibt das Signal an einen „Aktuator“ weiter, der es in eine mechanische Bewegung umsetzt, die letztendlich die Scheibenbremse greifen lässt. Um die Ausfallssicherheit zu erhöhen, befinden sich in den Speichen des Hinterrades und an der Gabel des Vorderrades jeweils ein weiterer Sender. Sie fungieren als sogenannte Replikatoren, indem sie das Senden des Bremssignals wiederholen. Auf diese Weise soll sichergestellt sein, dass die entscheidende Funknachricht auch dann noch rechtzeitig ankommt, wenn die anderen Funkverbindungen zu langsam sind oder gar ganz ausfallen. Die Saar-Informatiker haben unter anderen herausgefunden, dass noch mehr Replikatoren nicht unbedingt noch mehr Sicherheit bieten. „Wenn es schlecht konfiguriert ist, können es auch ganz schnell drei aus fünf Bremsversuchen sein, die schiefgehen“, so Hermanns.

Mit der aktuellen Ausstattung schafft es das Cruiser Bike spätestens nach 250 Millisekunden zu bremsen, was bei einer Geschwindigkeit von 30 Kilometer pro Stunde einem Reaktionsweg von zwei Metern entspricht. Dabei wollen es die Forscher jedoch nicht belassen. „Es ist jetzt nicht mehr schwer, ein Antiblockiersystem und Antischlupfregelung zu integrieren. Das ist schnell gemacht.“ Nach ersten Gesprächen mit namhaften Herstellern sucht Hermanns bereits ein Ingenieursbüro, das die drahtlose Fahrradbremse umsetzt. Die Arbeiten zu der drahtlosen Fahrradbremse wurden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Sonderforschungsbereiches „Automatic Verification and Analysis of Complex Systems“ (AVACS) unterstützt. Die Ergebnisse haben die Saar-Informatiker im Fachaufsatz „A Verified Wireless Safety Critical Hard Real-Time Design“ dokumentiert, der von der weltweiten Ingenieursorganisation IEEE publiziert wurde.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Laserlicht kühlt nanomechanisches Objekt in den „Quanten-Grundzustand“

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Pressemeldung der Universität Wien vom 07.10.2011

Forschern am California Institute of Technology und am Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien ist es gelungen, erstmals kleine mechanische Objekte mithilfe von Laserlicht in ihren kleinstmöglichen Energiezustand zu kühlen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten sowohl für Anwendungen – etwa im Bereich extrem empfindlicher Sensoren – als auch für grundlegende Fragestellungen im Grenzbereich zwischen der Welt der Quantenphänomene und unserer Alltagswelt. Die Forschungsergebnisse sind in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature“ publiziert worden.

Nur etwa ein tausendstel Millimeter breit und mehrere hundertstel Millimeter lang sind die mechanisch schwingenden Objekte, die das internationale Forschungsteam verwendet hat. Dabei handelt es sich um winzige mechanische Brücken aus Silizium. In diese wird Laserlicht einer bestimmten Frequenz eingebracht und – sobald es reflektiert wird – Wärmeenergie abtransportiert, wodurch das System gekühlt wird. „Wir haben ein mechanisches Objekt verwendet, das aus Milliarden von Atomen besteht, und dieses mit Laserlicht in einen Zustand versetzt, in dem es sich nach den Regeln der Quantenphysik verhält. Bislang ist das nur mit einzelnen Atomen oder Ionen gelungen“, erklärt Oskar Painter, Professor für angewandte Physik am California Institute of Technology (Caltech) und Leiter des Forschungsprojekts.

Dieses Kühlverfahren wurde 2006 von Wissenschaftern um Markus Aspelmeyer, Professor für Quantum Information on the Nanoscale an der Universität Wien, an mikroskopischen Sprungbrettern gezeigt. Die damals erreichten Temperaturen waren aber noch weit vom Quantenregime entfernt. Ein am Caltech entwickeltes Design der mechanischen Siliziumbrücken ermöglichte es den Forschern nun, diese Laser-Kühltechniken zu verwenden, um das System in den „Quanten-Grundzustand“ zu bringen. „In diesem Zustand sind mechanische Schwingungen auf ein absolutes Minimum reduziert; die verbleibende sogenannte ‚Nullpunkts-Schwingung‘ kann nur durch die Quantenphysik erklärt werden“, so Aspelmeyer.

Phononen aus dem System entfernt

Um zu zeigen, ob die bizarren Gesetze der Quantenphysik auch für massive Objekte wie mikromechanische Brücken gelten, etwa dass sich ein Objekt so verhält als wäre es an zwei Orten gleichzeitig, muss sich das mechanische Objekt dafür zunächst sehr nahe am „Quanten-Grundzustand“ befinden. Dafür mussten die Physiker die mechanische Brücke auf eine Temperatur unterhalb eines Zehntels eines Kelvins (-273,15°C) kühlen. Da die Frequenz der mechanischen Schwingung einige Gigahertz beträgt, das entspricht mehreren Milliarden Schwingungen pro Sekunde, ist bei Zimmertemperatur noch eine große Anzahl von Phononen vorhanden. Phononen sind die Quanten der mechanischen Schwingung – genauso wie die Photonen die Quanten des Lichts sind. „Um die Bewegung eines mechanischen Objekts in den ‚Quanten-Grundzustand‘ zu kühlen, müssen daher alle Phononen der Bewegung entfernt werden“, sagt Simon Gröblacher, Co-Autor der Studie.

Alternative Kühlstrategie

Zwar existieren bereits konventionelle Kühlmethoden, um derartig niedrige Temperaturen zu erreichen; diese sind aber sehr kostspielig und bergen Probleme bei der Messung des kalten mechanischen Objekts. Die Forscher wählten daher eine andere Kühlstrategie: „Wir haben die Photonen – das Lichtfeld – verwendet, um die Phononen aus dem System herauszubekommen“, so Jasper Chan, Erstautor des Papers. Kleine Löcher werden dafür an speziellen Stellen in die mechanische Brücke gebohrt. Wenn Laserlicht einer bestimmten Frequenz entlang der Brücke geführt wird, bilden die Löcher eine Art Spiegel, zwischen denen das Licht reflektiert wird. Dadurch kommt es zu einer starken Wechselwirkung zwischen dem Licht und den mechanischen Vibrationen der Brücke, also zwischen Photonen und Phononen.

Das aus der „Spiegel“-Anordnung entweichende Licht trägt aufgrund dieser Wechselwirkung neben der Energie der Phononen auch Information über das mechanische Objekt nach außen, etwa dessen Bewegung und Temperatur. Auf diese Weise schaffen die Forscher eine effiziente optische Schnittstelle zu einem mechanischen Element. Dieser „optische Signalwandler“ tauscht Informationen eines mechanischen Systems in Photonen um und könnte sich als äußerst hilfreich bei der Verknüpfung verschiedener Quantensysteme erweisen – beispielsweise zwischen optischen und Mikrowellen-Systemen.

Meilenstein – und doch erst am Anfang

Das Team von Caltech und der Universität Wien/VCQ ist zwar nicht das erste, das nanomechanische Objekte in den Grundzustand kühlt: eine Gruppe rund um Andrew Cleland und John Martinis an der University of California in Santa Barbara hat dies bereits 2010 mittels konventioneller Kühltechniken geschafft, und in diesem Jahr konnte eine Gruppe um John Teufel vom National Institute of Standards and Technology in Boulder, Colorado, ein mikromechanisches Objekt mittels Mikrowellenstrahlung in den Grundzustand kühlen. Die jetzige Arbeit ist jedoch die erste, die Laserlicht verwendet, um ein nanomechanisches Objekt in den Grundzustand zu kühlen.

„Die angewandte Methode, nanomechanische Objekte in den Grundzustand zu kühlen, ist ein Meilenstein, weil es so viele etablierte Verfahren zur Manipulation und Messung von Quanteneigenschaften mit Hilfe von Laserlicht gibt“, sagt Painter. Durch die Laserkühlung können Experimente bei weit höheren Temperaturen durchgeführt werden und den Grundzustand bei einer Anfangstemperatur erreichen, die nur etwa zehn Mal kühler als die Raumtemperatur ist.

„Die derzeitigen Entwicklungen auf dem Gebiet der Quantenphysik mit massiven mechanischen Objekten sind atemberaubend“, konstatiert Markus Aspelmeyer. „Durch die Kooperation von Forschern am Caltech mit Kollegen an der Universität Wien generieren wir einen einzigartigen Mix an Know-how: völlig neue nanomechanische Strukturen kombiniert mit den Werkzeugen der Quantenoptik und mit spannenden Fragen der Quantenphysik. Dabei sind wir mit der Erforschung dieser Quantensysteme erst am Anfang.“

Publikation:
Laser cooling of a nanomechanical oscillator into its quantum ground state
Jasper Chan, T. P. Mayer Alegre, Amir H. Safavi-Naeini, Jeff T. Hill, Alex Krause, Simon Gröblacher, Markus Aspelmeyer, Oskar Painter. In: Nature 478, 89-92 (2011).
DOI: 10.1038/nature10461

Externer Link: www.univie.ac.at

Kundschafter im blauen Rauschen

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Pressemeldung der Universität Erlangen-Nürnberg vom 06.10.2011

Brownsche Bewegung unter eingehender Beobachtung

Das leiseste Zittern genügt, um etwas mitzuteilen. Kleine Teilchen, die in einer Flüssigkeit gelöst sind, registrieren, was in ihrem Umfeld vor sich geht, und reagieren darauf. Ohne ausgetüftelte Messanordnung und ein hochpräzises Instrumentarium ist nicht zu entziffern, wie ihre Botschaft lautet, doch wenn es gelingt, warten erstaunliche Auskünfte auf die Dechiffrierexperten. Mit Hilfe einer Kombination aus theoretischem Unterbau und sehr diffizilen Experimenten konnten Physiker und Physikerinnen aus Erlangen, Lausanne und Basel erstmals beobachten, wie sich kleine Partikel in einem Lösungsmittel verhalten. Was sich dabei ergibt, wirkt zunächst fantastisch: Der Bewegung eines Teilchen kann eine Farbe zugeordnet werden.

Thomas Franosch, Professor am Institut für Theoretische Physik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), stuft das Ergebnis sachlicher ein. „Damit hat sich eine Annahme bestätigt, die in Fachkreisen seit fünfzig Jahren gilt“, erklärt der Erstautor der Studie zu diesem Thema, die am heutigen Donnerstag in der Fachzeitschrift „Nature“ erscheint (doi:10.1038/nature10498). „Bis jetzt war es allerdings nicht möglich, das Spektrum der Kräfte, die auf die Partikel wirken, direkt zu messen.“ Der Forschergruppe gelang dies, indem sie starke optische Fallen einsetzte, in denen ein einzelnes Teilchen festgehalten werden kann.

Chaos im Kaffee

Eine der Säulen der modernen theoretischen Physik ist die „Brownsche Molekularbewegung“. Wer Partikel in einer Lösung, beispielsweise Kaffeepulver in heißem Wasser, unter dem Mikroskop betrachtet, sieht eine Breakdance-Vorstellung im Miniaturformat. Unter der reglos erscheinenden Oberfläche tobt das Chaos. Das Zucken und Zappeln jedes einzelnen Teilchens lässt sich grundsätzlich nicht vorhersagen. Diese Bewegung ist nach dem schottischen Botaniker Robert Brown benannt, der Pollenkörnchen in Wassertropfen studierte und deren „Tanzfiguren“ zuerst als Hinweis auf ihre Lebenskraft wertete.

Was im 19. Jahrhundert noch vorstellbar war, wurde längst durch eine prosaische Erklärung ersetzt: Wassermoleküle stoßen ständig von allen Seiten gegen die größeren, sichtbaren Pollen. Dasselbe gilt für die Teilchen anderer Lösungen. Die Bewegung nimmt mit steigender Temperatur zu; die hier wirksamen Kräfte werden dementsprechend als thermisch bezeichnet. 1905 legte Albert Einstein seine Doktorarbeit vor. In diesem berühmten Werk bestimmte er näherungsweise eine Kennzahl, die proportional zur Temperatur ist und den enger Zusammenhang zwischen der Reibung eines in einer Flüssigkeit gelösten Partikels und den zufallsbedingten Stößen der Flüssigkeitsteilchen wiedergibt.

Ins Blaue hinein

Eine bildhafte Vorstellung der Vorgänge in einer Flüssigkeit gelingt durch den Vergleich mit zwei Sinneswahrnehmungen: Hören und Sehen. Wie die Überlagerung von Radiowellen wird das unregelmäßige Zappeln der Moleküle als „Rauschen“ bezeichnet. Da alle Strahlungen mit unterschiedlichen Frequenzen einander ebenfalls überlagern können, „rauschen“ auch Lichtwellen. „Kommt hier, wie beim Sonnenlicht, das vollständige Spektrum zusammen, entsteht Weiß. Fehlt ein Teil des Spektrums, sehen wir Farben“, erläutert Prof. Franosch. Einstein kam zu einer näherungsweisen Beschreibung, die auf der Annahme basierte, die Brownsche Molekularbewegung werde durch weißes Rauschen angetrieben. Durch neuartige Messgeräte und Weiterentwicklungen der Mathematik kamen leichte Abweichungen zu Tage. Die deutsch-schweizerische Forschungsgruppe stellte nun fest: Das Spektrum zeigt eine Verschiebung ins Blaue.

Dazu war es erforderlich, höchst präzise Messgeräte mit äußerst wirksamen Fallen zu kombinieren. Ein Laserstrahl hält ein gelöstes Teilchen aufgrund seiner optischen Eigenschaften fest. Auf den eingefangenen Partikel werden Detektoren mit einer Ortsauflösung eingesetzt, die unterhalb des Nanometerbereichs liegt. Zugleich kann die Messung Zeiträume bis hin zu Mikrosekunden sichtbar machen. „Sowohl verfälschende Einflüsse der Umgebung als auch Fehler, die durch einen starken Laserstrahl ausgelöst werden könnten, müssen ausgeschlossen bleiben“, umreißt die Projektleiterin Dr. Sylvia Jeney die größte Schwierigkeit im Aufbau solcher Experimente. „Dann kann das Teilchen einen Report über die thermischen Kräfte liefern, die in der Flüssigkeit wirken.“ Ist das aber angesichts der Größenverhältnisse nicht so, als würde ein Schwarm Kaulquappen versuchen, ein Nilpferd im Schlamm herumzuschubsen? „So dickhäutig ist der Partikel nicht, dass er die Stöße der Flüssigkeitsteilchen nicht registriert“, versichert Thomas Franosch. Hier kommt das sogenannte Hydrodynamische Gedächtnis ins Spiel, das das Schwimmen von Teilchen in einem Lösungsmittel verzögert. Wer Milch im Kaffee bevorzugt, kennt den Effekt: Die Zugabe verteilt sich von selbst nur langsam, darum liegt der Löffel zum Umrühren neben der Tasse.

Möglicherweise wird das Hydrodynamische Gedächtnis auf der Grundlage der Ergebnisse des Forscherteams für völlig neuartige Messverfahren nutzbar. Als Kernstück nanomechanischer Sensoren könnten von Lasern eingefangene Teilchen in Werkstoffwissenschaften oder Biomedizin Dienst tun, zum Beispiel als Kundschafter im Blut.

Externer Link: www.uni-erlangen.de